DE19852220C2 - Verfahren zur Erkennung von Schäden im Schienenverkehr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von die Betriebssicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von zu Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, zusammengestellten Schienenfahrzeugen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Für die Sicherheit im Schienenverkehr ist es unerläßlich, Schäden, die zu erheblichen Betriebsstörungen oder gar zu Unglücken mit Personengefährdung führen können, rechtzeitig zu erkennen. Solche Schäden können sowohl am Zug, und hier in den einzelnen Drehgestellen von Waggons und Antriebsfahrzeug, als auch an der Gleisstrecke, und hier am Gleiskörper oder im Oberbau, auftreten. Bislang führt man hierzu Inspektionen, Wartungen und Kontrollen der Gleisstrecken und des Zugsparks in regelmäßigen Intervallen durch, wobei an sicherheitsrelevanten Fahrzeugteilen, wie den Laufwerken und Rädern der Schienenfahrzeuge, auch Materialprüfungen vorgenommen werden, um Materialermüdungen, Risse und dgl., die langfristig zu Schäden führen, rechtzeitig zu entdecken. Trotz dieser regelmäßigen und intensiven Kontrollen treten zwischen den Inspektionsintervallen Schäden auf, die bis zur nächsten Inspektion unentdeckt bleiben und eine erhebliche Gefahr für den Schienenverkehr in sich bergen.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (EP 0 178 468 A2) werden reparaturbedürftige Bauteile einer Fahrzeugeinheit, z. B. eines aus Schienenfahrzeugen zusammengestellten Zugs, dadurch erkannt, daß die Fahrzeugeinheit im Neuzustand über eine Wegstrecke mit konstanten Bedingungen (Teststrecke) bewegt wird, mit an den einzelnen Bauteilen, z. B. Achsen und Achslenkern, angeordneten Schwingungsaufnehmern die Schwingungen der Bauteile während des Bewegens der Fahrzeugeinheit aufgenommen werden, Frequenzspektren der aufgenommenen Schwingungen erstellt werden, die Fahrzeugeinheit zu einem späteren Zeitpunkt erneut über die Teststrecke bewegt wird, die an den Bauteilen auftretenden Schwingungen während des erneuten Bewegens der Fahrzeugeinheit aufgenommen werden, die Frequenzspektren dieser Schwingungen erstellt werden und die Frequenzspektren der einzelnen Bauteile aus der Fahrt im Neuzustand mit den Frequenzspektren der gleichen Bauteile aus der Fahrt zum späteren Zeitpunkt miteinander verglichen werden, also ein Soll-Ist-Vergleich der Frequenzspektren im Neuzustand und im späteren Zustand durchgeführt wird. Bei Auftreten erheblicher Differenzen ist das Bauteil defekt.

Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß schadhafte Bauteile nur bei der Testfahrt auf der gleichen Teststrecke erkannt werden. Diese Testfahrten müssen also in Zeitintervallen vorgenommen werden, die an der Standzeit der Bauteile orientiert sind. Treten Schäden zu anderen Zeitpunkten auf, fährt die Fahrzeugeinheit mit den geschädigten Bauteilen bis zum nächstfälligen Test, was eine erhebliche Gefahr für den sicheren Schienenverkehr darstellt. Außerdem muß die Fahrzeugeinheit zum Zwecke ihrer Überprüfung auf reparaturbedürftige Bauteile aus dem Verkehr genommen werden, was die Auslastungszeiten der Fahrzeugeinheit verschlechtert und damit wirtschaftliche Verlust mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem zumindest an den Schienenfahrzeugen während des Fahrbetriebs auftretende Schäden sofort erkannt werden, so daß ggfs. der Fahrer entsprechende Maßnahmen, z. B. eine Zwangsbremsung, einleiten kann, um eine Vergrößerung des Schadensausmaßes zu vermeiden.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die in Drehgestellen zusammengefaßten Laufwerke der einzelnen Schienenfahrzeuge eines Zugs, insbesondere eines Hochgeschwindigkeitszugs, fortwährend und online geräuschmäßig überwacht werden und dadurch an den Rädern oder Achslagern auftretende Schäden sofort, d. h. unmittelbar mit Schadenseintritt, auffällig werden, so daß entsprechende Konsequenzen vom Fahrer des Zugs gezogen werden können. Das Verfahren ist dabei in der Lage, in den an den Drehgestellen aufgenommenen Geräuschen zwischen Schäden am Zug, d. h. in dem einen oder anderen Drehgestell, und an der Gleisstrecke zu unterscheiden. Die Schadenserkennung ist eindeutig und gibt sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Aussage über den erkannten Schaden. Bedingt durch die hohe Zahl der in den Drehgestellen vorhandenen Sensoren zur Geräuscherfassung und dem mehrdimensionalen Vergleich der Drehgestellmuster bei der Musteranalyse hat das Verfahren eine hohe Störsicherheit und eine geringe Falschalarmrate.

Zweckmäßiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird aus der Gesamtheit der Drehgestell-Geräuschmuster ein Zug- Geräuschmuster abgeleitet, in dem für jedes Drehgestell- Geräuschmuster in räumlicher Zuordnung zum Drehgestell Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern, die in ihrer Gesamtheit den Frequenzbereich abdecken, in Abhängigkeit von der Zeit abgelegt ist. Zur Musteranalyse werden die zeitlichen Veränderungen über die Drehgestelle in allen Frequenzbändern herangezogen.

Durch diese Aufbereitung der Drehgestelle-Geräuschmuster zu einem die Zugbesonderheiten berücksichtigenden Zug-Geräuschmuster und die Durchführung der Musteranalyse in dem Zug-Geräuschmuster wird eine weitgehend störsichere und eindeutige Unterscheidung zwischen Schäden am Zug und an der Gleisstrecke mit stark eingeschränkter Falschalarmrate möglich. Dabei lassen sich Besonderheiten der Gleisstrecke, z. B. Brücken und Tunnel, eliminieren und führen nicht zu einem Schadensalarm.

Die Falschalarmrate bei der Erkennung von Gleisstreckenschäden wird noch dadurch weiter reduziert, daß gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei der Musteranalyse Informationen über die aktuell befahrene Gleisstrecke einbezogen werden, die aus einem digital abgespeicherten Streckennetz entnommen werden, und gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei der Musteranalyse mittels der Fahrgeschwindigkeit und der bekannten Drehgestellabstände Zeitpunkte des Auftretens gleicher Veränderungen in den Geräuschmustern der Drehgestelle vorausberechnet werden, sowie bei Übereinstimmung der Zeitpunkte der Vorausberechnung und ihres tatsächlichen Auftretens auf Schäden in der Gleisstrecke erkannt wird.

Die erkannten Störungen und Schäden werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Störverzeichnissen abgespeichert, und zwar in Zuordnung zu dem Drehgestell bzw. dem Gleisstreckenplan, um so für Reparaturmaßnahmen die entdeckten Schäden reproduzierbar verifizieren zu können.

Gemäß einer bevorzugten Auführungsform der Erfindung wird in jedem Drehgestell mindestens jedem Rad des Laufwerks ein Schallaufnehmer zugeordnet und schallmäßig gut an das zugeordnete Rad angekoppelt. Als Schallaufnehmer werden bevorzugt Körperschallaufnehmer verwendet, jedoch können diese auch durch Mikrophone ersetzt werden. Eine Kombination von Körper- und Luftschallaufnehmern ist möglich. Aus den Ausgangssignalen eines jeden Schallaufnehmers wird ein Rad- Geräuschmuster gebildet, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum als Funktion der Zeit abgelegt ist. Die Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters erfolgt durch Summation und/oder logische Verknüpfung der Rad- Geräuschmuster. Durch die beschriebene Ableitung der Drehgestell-Geräuschmuster aus der Gesamtheit der Rad-Geräuschmuster eines Drehgestells wird die Falschalarmrate drastisch reduziert, da einerseits fertigungsbedingte Abweichungen im Geräuschverhalten der einzelnen Räder nicht als Schaden interpretiert wird und andererseits schadensbedingte Geräuschänderungen an nur einem Rad nicht im Gesamtgeräusch des Drehgestells untergehen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Erkennung von Schäden im Schienenverkehr im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erkennung von Schäden an Zug- und Gleisstrecke im Schienenverkehr,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Drehgestells eines Zugwaggons,

Fig. 3 eine Draufsicht des Drehgestells in Fig. 2,

Fig. 4 ein Ablaufschema zur Erläuterung des Verfahrens zur Schadenserkennung mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine mehr detaillierte Einzelheit des Ablaufschemas zur Illustration eines Schadensfalls,

Fig. 6 und 7 jeweils eine vergrößerte Darstellung eines Drehgestell-Geräuschmusters gemäß Fig. 5 im ungestörten Betrieb (Fig. 6) und bei Auftreten eines Störfalls (Fig. 7)

Fig. 8 eine vereinfachte Darstellung eines Zug-Geräuschmusters für ein ausgewähltes Frequenzband X bei ungestörtem Betrieb,

Fig. 9 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei Überfahren einer Brücke,

Fig. 10 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei einem Defekt an einem Drehgestell,

Fig. 11 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 8 bei einem Defekt in der Gleisstrecke.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte Vorrichtung zur Erkennung von die Betriebssicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, weist einen in einer vorzugsweise innerhalb des Antriebsfahrzeugs des Zuges vorgesehenen Zentralstelle 10 angeordneten Prozessor 11 auf, der über ein Bus-Interface 12 mit einem Bussystem 13 und über ein weiteres Interface 14 mit einer zu dem Fahrstand 15 des Zuges führenden Signalleitung 16 verbunden ist. Das Bussystem 13 ist von der Zentralstelle 10 aus zu den einzelnen Drehgestellen 17 der zu dem Zug zusammengekoppelten einzelnen Schienenfahrzeuge geführt. In der Zentralstelle 10 sind weiterhin mehrere Datenträger 18, 19 vorhanden, die mit dem Prozessor 11 verbunden sind. Im Datenträger 18 können Informationen Z über den Zug, wie Waggontyp, Typ des Antriebsfahrzeugs, Anzahl der Waggons, Art der Drehgestelle und Anzahl der Drehgestelle abgelegt sein und sind Informationen S über die Gleisstrecke, wie Tunnel, Brücken, Weichen etc. gespeichert, die vorzugsweise in einem digital abgespeicherten Streckenplan integriert sind. Da in der Regel die Züge meist mehr oder weniger variabel zusmmengestellt werden, werden zur Erzielung einer höheren Flexibilität die Zuginformationen bevorzugt vom Fahrstand 15 aus dem Prozessor 11 zur Verfügung gestellt. Der Datenträger 19 dient als sog. Störverzeichnis, in dem von der Vorrichtung erkannte Schäden am Zug oder an der Gleisstrecke in Zuordnung zu dem jeweiligen Schadensort abgespeichert werden.

Im Fahrstand 15 sind optische und akustische Warnsignalgeber 20, 21, die im Schadensfall mittels im Prozessor 11 generierter Steuersignale aktiviert werden, sowie eine Anzeigeeinheit 22 in Form eines Bildschirms angeordnet, auf dem die Art, der Ort und die Qualität des Schadens angezeigt werden. Mittels einer Eingabetastatur 23 kann der Fahrer mit dem Prozessor 11 kommunizieren, z. B. die Zuginformationen für den individuellen Zug eingeben.

Ein Drehgestell 17 eines Zugwaggons ist schematisch in Fig. 2 in Seitenansicht und in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt. Das Drehgestell 17 weist ein zweiachsiges Laufwerk mit insgesamt vier Rädern 24 auf, die paarweise auf einer der beiden Achsen 29 drehfest sitzen. Jede Achse 29 ist in zwei Achslagern 25 gelagert, die in einem Rahmen 26 des Drehgestells 17 aufgenommen sind. Stirnseitig sind die Achslager 25 mit Kappen 27 abgedeckt, in denen Aufnahmeöffnungen für Meßwertgeber vorgehalten sind. Das Drehgestell 17 kann sich insgesamt um einen im hier nicht dargestellten Waggonuntergestell angebrachten Drehzapfen drehen, der in einem mittig angeordneten Gleitlager 28 im Rahmen 26 aufgenommen ist. Jeder Waggon des Zuges hat zwei Drehgestelle 17, so daß in dem einen Zug bildenden Waggonverbund eine große Anzahl von Drehgestellen 17 vorhanden ist. In jeder Aufnahmeöffnung in den Achskappen 27 ist ein Schallaufnehmer 30 eingesetzt, der über eine Steckverbindung 31 mit einer in einem Gehäuse 32 integrierten Elektronik zur Vorverstärkung und Analog-/ Digital-Wandlung der elektrischen Ausgangssignale des Schallaufnehmers 30 verbunden ist. Die Elektronikgehäuse 32 sind am Rahmen 26 des Drehgestells 17 befestigt und mittels eines Steckers 33 an das Bussystem 13 anschließbar. Als Schallaufnehmer 30 wird bevorzugt ein Körperschallaufnehmer verwendet. Der Einsatz von Luftschallaufnehmern, z. B. Mikrophone, ist ebenso möglich wie die Kombination von Körper- und Luftschallaufnehmern. Jedes Drehgestell 17 weist im Ausführungsbeispiel insgesamt vier Schallaufnehmer 30 auf, die gut an das zugeordnete Rad 24 des Laufwerks angekoppelt sind, so daß jeder Schallaufnehmer 30 die vom zugeordneten Rad 24 erzeugten Geräusche aufnimmt. Die Ausgangssignale der Schallaufnehmer 30 werden vorverstärkt und digital gewandelt, und die digitalen Signale werden über das breitbandig ausgeführte Bussystem 13 zum Prozessor 11 übertragen und hier gespeichert.

Zur Erkennung von auftretenden Schäden an den Schienenfahrzeugen oder an der von dem Zug aktuell befahrenen Gleisstrecke werden im Prozessor 11 die abgespeicherten Daten online wie nachstehend beschrieben, bearbeitet. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 4 ein Ablaufschema der Signalverarbeitung dargestellt, wobei die einzelnen Verfahrensschritte in Blöcken zusammengefaßt sind.

Von der Vielzahl der im Zug vorhandenen Drehgestelle 17 ist die Fig. 4 nur das erste und das n-te Drehgestell 17 mit den vier Schallaufnehmern 30 pro Drehgestell 17 sowie den vier Elektronikgehäusen 32 für die Vorverstärkung und A/D-Wandlung der Ausgangssignale der vier Schallaufnehmer 30 dargestellt. Für die übrigen Drehgestelle 17 gilt das gleiche. Aus den im Prozessor 11 abgespeicherten digitalen Ausgangssignalen der vier Schallaufnehmer 30 pro Drehgestell 17 wird in den Blöcken 34 ein Rad-Geräuschmuster gebildet, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude und Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist. Ein solches Rad-Geräuschmuster ist beispielhaft für die vier Rad-Schallaufnehmer 30 des ersten Drehgestells 17 in Fig. 5 dargestellt. Die hier nur angegebene Amplitude (Pegel in dB) ist dabei durch die Intensität der Frequenzlinien symbolisiert. Eine gleiche Darstellung ist für die Phase möglich. Die bildliche Darstellung der Rad- Geräuschmuster gemäß Fig. 5 dient lediglich zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrensablaufs. Die Funktionen liegen in Wirklichkeit nur als Datensätze vor. Aus den vier Rad-Geräuschmustern der einem Drehgestell 17 zugehörigen Räder 24 wird ein Drehgestell-Geräuschmuster durch Summation und/oder logische Verknüpfung der vier Rad-Geräuschmuster gebildet (Block 36 in Fig. 4). In dem Drehgestell- Geräuschmuster 37, wie es ebenfalls in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist, ist wiederum das Frequenzspektrum als Funktion der Zeit abgelegt, wobei die Amplitude (Pegel in dB) durch die Intensität der Frequenzlinien charakterisiert ist. Block 36 arbeitet dabei mit einem geeigneten Algorithmus, um sicherzustellen, daß eine an einem der vier Räder 24 auftretende Geräuschanomalie nicht im Summationsgeräusch der vier Räder untergeht, sondern deutlich im Drehgestell- Geräuschmuster 37 erhalten bleibt. Dieses ist beispielhaft in Fig. 5 an einer Schädigung des dritten Rads 24 im Drehgestell 17 dargestellt. Die Räder 1, 2 und 4 des Drehgestells 17 (in Fig. 5 von links nach rechts gesehen) sind voll funktionsfähig und schadensfrei und zeigen aufgrund ihrer Bauart und Lagerung ein typisches Frequenzspektrum, wobei ausgeprägte, zeitkonstante Frequenzlinien von Eigenresonanzen der Räder 24 herrühren können. Unwuchten in den Rädern 24 machen sich ebenfalls als Frequenzlinien bemerkbar, die sich jedoch abhängig von der Drehzahl des Rads 24 verändern. Ein solches Rad-Geräuschmuster ist typisch für das vom Rad 24 beim Fahren erzeugte Geräusch und kann als sog. "Fingerprint" des Rades 24 angesehen werden. In Fig. 5 ist der Einfachheit halber angenommen, daß alle drei Räder 1, 2 und 4 den gleichen "Fingerprint" besitzen. Rad 3 weist eine Schädigung, z. B. einen Ausbruch oder eine Rißstelle im Radkranz, auf, was zu einer Verschiebung der Rad- Eigenresonanzen führt und sich im Frequenzspektrum durch eine Verschiebung einer oder mehrerer Frequenzlinien auswirkt (vgl. die Darstellung des Rad-Geräuschmusters 35' für das dritte Rad 24). Da bei einer einfachen Summation der vier Rad- Geräuschmuster zur Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters die für die Schädigung des dritten Rades 24 charakteristische Frequenzlinie im Frequenzspektrum des Drehgestell- Geräuschmusters unauffällig wäre und möglicherweise nicht detektiert würde, wird durch einen geeigneten Algorithmus im Block 36 sichergestellt, daß diese Frequenzlinie im Drehgestell-Geräuschmuster durch eine hohe Amplitude (Pegel in dB) hervorgehoben wird, wie dies beispielhaft in dem Drehgestell-Geräuschmuster 37 in Fig. 5 dargestellt ist.

In Fig. 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele für ein Drehgestell-Geräuschmuster vergrößert dargestellt. Zur Verdeutlichung ist zusätzlich noch der Verlauf der Amplitude (Pegel in dB) über der Frequenz für den Zeitpunkt t = 0 eingezeichnet. Bei der Darstellung in Fig. 6 ist angenommen, daß das Drehgestell 17 mit seinem Laufwerk völlig intakt ist, so daß dieses Drehgestell-Geräuschmuster als sog. "Fingerprint" des Drehgestells 1 angesehen werden kann. Jedes weitere Drehgestell 2 bis n (Fig. 1) weist in der Regel einen davon etwas abweichenden eigenständigen "Fingerprint" auf. In Fig. 7 ist angenommen, daß vor ca. 3,5 sec eine Schädigung am Drehgestell 1 stattgefunden hat, z. B. ein Teil eines Laufrings eines Rads ausgebrochen ist. Dies macht sich durch eine Frequenzlinie mit hohem Pegel und durch Auftreten weiterer Harmonischen im Frequenzspektrum bemerkbar. Der sog. "Fingerprint" des Drehgestells 1 für den ungestörten Betrieb hat sich damit signifikant verändert.

Zur Schadenserkennung wird grundsätzlich so vorgegangen, daß in einer Musteranalyse jedes Drehgestell-Geräuschmuster auf zeitliche Veränderungen im Geräusch oder dessen Frequenzspektrum überwacht wird, und zusätzlich die zeitlichen Veränderungen in den Drehgestell-Geräuschmustern, die aufeinanderfolgenden Drehgestellen 17 zugehörig sind, miteinander verglichen und bewertet werden. Aus dieser Musteranalyse werden dann Rückschlüsse auf Art und Qualität eines am Schienenfahrzeug und/oder an der Gleisstrecke auftretenden Schadens gezogen. Die Schadensart und die Schadensqualität werden in der Anzeigeeinheit 22 im Fahrstand 15 angezeigt und entsprechende Schadensalarme mittels der Warnsignalgeber 20 und 21 kenntlich gemacht. Bei Extremschäden werden auch unmittelbar notwendige Maßnahmen, wie z. B. Zugbremsung, automatisch ausgelöst. Sind die Schäden weniger gravierend oder rühren die festgestellten Schäden von der Gleisstrecke her, so werden diese im Störverzeichnis des Datenträgers 19 in Zuordnung zu den Schadensorten, entweder den Drehgestellen des Zugs oder dem Streckenplan der Gleisstrecke, abgespeichert.

Zur Vereinfachung der Musteranalyse wird zunächst im Block 38 gemäß Fig. 4 aus allen Drehgestell-Geräuschmustern der Drehgestelle 1 bis n unter Verwendung der Zuginformationen Z ein sog. Zug-Geräuschmuster abgeleitet, in dem für jedes Drehgestell-Geräuschmuster in räumlicher Zuordnung zur Lage des Drehgestells 17 innerhalb des Zugs Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern in Abhängigkeit der Zeit abgelegt sind. Ein solches Zug-Geräuschmuster für ein ausgewähltes Frequenzband X ist beispielhaft in den Fig. 8- 11 dargestellt. Hier sind für den Beispielsfall, daß der Zug insgesamt sechszehn Drehgestelle 17 besitzt, für jedes Drehgestell 1-16 die Amplitude (Pegel in dB) im Frequenzband X als Funktion der Zeit dargestellt. Zur Vereinfachung sind in den Darstellungen der Fig. 8-11 von den hierzu aus den Drehgestell-Geräuschmustern durch eine hohe zeitliche Abtastung gewonnenen Abtastwerten nur einzelne Abtastwerte in einem zeitlichen Abstand von 2 sec. dargestellt. Für jedes weitere Frequenzband ist eine gleiche Darstellung vorhanden, so daß die Summe der Frequenzbänder das gesamte Frequenzspektrum von z. B. 1 Hz-3 bis 4 kHz überdeckt. Die vorstehend beschriebene Musteranalyse zur Schadenserkennung mit Überwachung der zeitlichen Veränderungen in den einzelnen Drehgestell-Geräuschmustern und Vergleich der zeitlichen Veränderungen in den Drehgestell-Geräuschmustern von aufeinanderfolgender Drehgestellen 17 wird nunmehr in Block 39 durch mehrdimensionalen Vergleich der zeitlichen Veränderungen in der Amplitude (Pegel in dB) über der Zeit, über die Frequenzbänder und über die Drehgestelle durchgeführt. Bei dieser Musteranalyse wird dabei sowohl die Fahrgeschwindigkeit v als auch Streckeninformationen 5 aus dem Datenträger 18 wie z. B. die Orte von Brücken, Tunnel, Weichen und dgl., berücksichtigt.

In Fig. 8 wird von einem ungestörten Zugbetrieb ausgegangen. Alle Laufwerke in den Drehgestellen 1-16 laufen ordnungsgemäß. Das Zug-Geräuschmuster zeigt nahezu gleiche zeitkonstante Pegel oder nicht signifikant unterschiedliche Pegel in allen Frequenzbändern.

In der Darstellung des Zug-Geräuschmusters gemäß Fig. 9 sind die Auswirkungen des Überfahrens einer Brücke auf das Zug- Geräuschmuster schematisch dargestellt. Zum Zeitpunkt t = 2 sec. befinden sich die vier Drehgestelle der ersten beiden Waggons und das vorderste Drehgestell des dritten Waggons als Drehgestell 5 auf der Brücke. Danach fahren auch die Drehgestelle 6-13 nacheinander auf die Brücke auf, so daß sich nach vier Sekunden alle Drehgestelle 1-13 auf der Brücke befinden. Nach acht Sekunden haben die ersten drei Drehgestelle 1-3 die Brücke wieder verlassen, während die letzten drei Drehgestelle 14-16 bereits auf die Brücke aufgefahren sind. Der mehrdimensionale Vergleich der Pegelveränderungen über der Zeit und den Drehgestellen 1- 16 in den einzelnen Frequenzbändern läßt erkennen, daß es sich hier nicht um eine Schädigung sondern um eine Besonderheit der Gleisstrecke handelt. Durch zusätzliches Heranziehen der Streckeninformationen S aus dem Datenträger 18 wird bestätigt, daß zu diesen Zeitpunkten, in denen das in Fig. 9 dargestellte Zug-Geräuschmuster auftritt, der Zug eine Brücke überfahren hat.

In Fig. 10 ist die Auswirkung eines Defekts am Fahrgestell 5 auf das Zug-Geräuschmuster dargestellt. Die Amplitude (Pegel in dB) des Geräuschs im Drehgestell 5 wächst signifikant an und bleibt über die Zeit hinweg weitgehend konstant. In den anderen Drehgestellen tritt ein solcher Pegelanstieg nicht auf. Dieser Pegelanstieg setzt sich in den Frequenzbändern, in denen Harmonische diese Frequenz auftritt, fort. Die Musteranalyse durch mehrdimensionalen Vergleich der Amplituden über der Zeit, den Drehgestellen 1-16 und den Frequenzbändern ergibt einen eindeutigen Schaden am Drehgestell 5. Anhand der Pegelhöhe und sonstiger Zuginformationen Z wird der Schaden klassifiziert und die Qualität des Schadens in der Anzeigeeinheit 22 im Fahrstand 15 angezeigt. Ist der Schaden nur geringfügig, so daß eine Weiterfahrt vertretbar ist, wird dieser Schaden in Zuordnung zum Drehgestell 5 im Störverzeichnis des Datenträger 19 abgelegt. Dabei wird zusätzlich verifiziert, welches Rad 24 des defekten Drehgestells 17 den Schaden aufweist. Hierzu werden die vier Rad-Geräuschmuster des defekten Drehgestells 17 auf schadensbedingte Veränderungen des Geräusches oder seines Frequenzspektrums untersucht (vergl. Fig. 5). Ist der Schaden so beträchtlich, daß eine Weiterfahrt ein unverhältnismäßig hohes Risiko in sich birgt, so wird dem Zugführer dieser Schaden durch zusätzliche akustische und optische Warnsignale angezeigt, so daß dieser eine Bremsung auslöst und den Zug stillsetzt. Die Zwangsbremsung des Zuges kann aber auch automatisiert werden, indem der Prozessor 11 entsprechende Steuersignale zur Auslösung einer Zwangsbremsung generiert.

In Fig. 11 ist schematisch dargestellt, wie sich ein Defekt in der Gleisstrecke auf das Zug-Geräuschmuster auswirkt. Ein solcher Defekt der Gleisstrecke kann beispielsweise in einem hohl liegenden oder nicht ausreichend befestigten Gleisstück, einen Spalt im Schienenstrang und dgl. begründet sein. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, überfährt zum Zeitpunkt t = 2 sec. das erste Drehgestell die Schadenstelle in der Gleisstrecke, die nachfolgend von allen Drehgestellen 2-16 überfahren wird. Mit Überfahren der Schadstelle tritt ein signifikanter Pegelanstieg im Drehgestell 1 auf, der sich zeitlich über die gesamten Drehgestelle 2-16 hinwegschiebt. Wie bereits vorstehend ausgeführt ist, sind auch in Fig. 11 die vorhandenen Abtastwerte nur jeweils alle 2 sec. dargestellt, so daß die Pegelerhöhung in den Drehgestellen 2-5 nicht sichtbar sind. Nach weiteren 2 sec. überfahren die Drehgestelle 6 und 7 und nach weiteren 2 sec. die Drehgestelle 12 und 13 die Schadensstelle. Der mehrdimensionale Vergleich der Pegeländerungen über die Zeit, die Drehgestelle und die Frequenzbänder ergibt eine zeitliche Wanderung der signifikanten Pegelerhöhung über die Drehgestelle 1-16, so daß der aus dem Zug-Geräuschmuster erkannte Schaden eindeutig der Gleisstrecke zugeordnet wird. Da der momentane Ort des Zugs während der Fahrt bekannt ist, wird der Schaden der Gleisstrecke in Zuordnung zu dem Schadensort im Störverzeichnis des Datenträgers 19 abgelegt, so daß nach off-line Auswertung des Datenträgers 19 ein Reparaturtrupp die definierte Schadensstelle in der Gleisstrecke beheben kann.

Es wird noch einmal darauf verwiesen, daß die in den Fig. 8-11 dargestellten Zug-Geräuschmuster ebenso wie die in Fig. 5-7 dargestellten Rad-Geräuschmuster und Drehgestell- Geräuschmuster nur zum Zwecke der besseren Verständlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bildlich dargestellt sind.

Diese Geräuschmuster liegen lediglich als Datensätze im Prozessor 11 vor, die mit entsprechenden Auswertealgorithmen abgearbeitet werden.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Datensätze im Frequenzbereich ausgewertet, was vorstehend unter Heranziehung der Amplitude detailliert beschrieben wurde. Da aber auch in der Phase des Geräusches Informationen enthalten sind, wird zusätzlich auch eine vergleichbare Auswertung der Phase im Frequenzspektrum vorgenommen. Aufgrund der bekannten Beziehungen zwischen Frequenz- und Zielbereich von Signalen und der mathematischen Möglichkeit der Transformation der Signale aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich und umgekehrt, können die Datensätze auch im Zeitbereich ausgewertet werden, wobei auf eine vorherige Transformation in den Frequenzbereich verzichtet wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erkennung von die Betriebsicherheit beeinträchtigenden Schäden im Schienenverkehr von zu Zügen, insbesondere Hochgeschwindigkeitszügen, zusammengestellten Schienenfahrzeugen mit in Drehgestellen (17) zusammengefaßten, mehrachsigen, ein Radpaar pro Achse aufweisenden Laufwerken, bei dem die Ausgangssignale von in den Drehgestellen (17) angeordneten Schallaufnehmern (30) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) den Ausgangssignalen der jedem Drehgestell (17) zugeordneten Schallaufnehmern (30) ein Drehgestell-Geräuschmuster gebildet wird, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude, Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist;
• b) in einer Musteranalyse jedes Drehgestell-Geräuschmuster auf zeitliche Veränderungen überwacht wird und
• c) die zeitlichen Veränderungen in mindestens einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Drehgestellen (17) zugehörigen Drehgestell-Geräuschmustern miteinander verglichen und bewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Musteranalyse Rückschlüsse auf die Art und Qualität eines am Schienenfahrzeug und/oder an der Gleisstrecke auftretenden Schadens gezogen werden und daß die Schadensart und -qualität angezeigt und/oder daraus unmittelbare notwendige Maßnahmen zur Schadensbegrenzung differenziert ausgelöst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus allen Drehgestell-Geräuschmustern ein Zug- Geräuschmuster abgeleitet wird, in dem für jedes Drehgestell-Geräuschmuster in räumliche Zuordnung zum Drehgestell (17) Amplitude und Phase in verschiedenen Frequenzbändern, die in ihrer Gesamtheit den Frequenzbereich abdecken, in Abhängigkeit von der Zeit abgelegt sind, und daß zur Musteranalyse die zeitlichen Veränderungen von Amplitude und Phase über die Drehgestelle (17) in allen Frequenzbändern herangezogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ableitung des Zug-Geräuschmusters Zuginformationen (Z), wie Antriebsfahrzeug- und Waggontyp, Anzahl der Waggons, Art der Drehgestelle, Anzahl der Drehgestelle und deren fortlaufende Numerierung, einbezogen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Musteranalyse Informationen (S) über die aktuelle befahrene Gleisstrecke einbezogen werden, die aus einem digital abgespeicherten Streckennetz entnommen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Musteranalyse mittels der Fahrgeschwindigkeit und der bekannten Drehgestellabstände Zeitpunkte des Auftretens gleicher Veränderungen in den Geräuschmustern der Drehgestelle (17) vorausberechnet werden und daß bei Übereinstimmung der Zeitpunkte der Vorausberechnung und ihres tatsächlichen Auftretens auf Schaden in der Gleisstrecke erkannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Schadenserkennung anhand des Streckenplans der Schadensort bestimmt und abgespeichert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß erkannte Schäden an den Schienenfahrzeugen und der Gleisstrecke in Störverzeichnissen in Zuordnung zur Drehgestelllage bzw. zum Streckenplan abgelegt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß erkannte Schäden im Fahrstand (15) des Zuges akustisch und/oder optisch angezeigt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Drehgestell (17) mindestens jedem Rad (24) des Laufwerks ein Schallaufnehmer (30) zugeordnet und schallmäßig möglichst gut an das zugeordnete Rad (24) angekoppelt wird, daß aus den Ausgangssignalen eines jeden Schallaufnehmers (30) ein Rad-Geräuschmuster gebildet wird, in dem das Geräusch oder sein Frequenzspektrum (Amplitude, Phase) als Funktion der Zeit abgelegt ist, und daß die Bildung des Drehgestell-Geräuschmusters durch Summation und/oder logische Verknüpfung der Rad-Geräuschmuster erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen eines Schadens in einem Drehgestell (17) die dem defekten Drehgestell (17) zugehörigen Rad- Geräuschmuster auf schadensbedingte Veränderungen der Geräusche oder Frequenzspektren untersucht werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schallaufnehmer (30) unmittelbar am Ausgang der Schallaufnehmer (30) digitalisiert und über ein von einer Zentralstelle (10) des Zuges aus zu den Drehgestellen (17) verlegtes, breitbandiges Bussystem (13) zu einem in der Zentralstelle (10) angeordneten Prozessor (11) übertragen werden und daß in dem Prozessor (11) mit den hier abespeicherten digitalen Ausgangssignalen die Ableitung der Rad-, Drehgestell- und Zug-Geräuschmuster sowie die Durchführung der Musteranalyse online erfolgt und im Schadensfall für die Schadenswarnung und -anzeige und/oder für die Auslösung der Schadensbegrenzungsmaßnahmen entsprechende Steuersignale generiert werden.