EP1473208A1 - Verfahren zur Detektion einer Gleisbelegung - Google Patents

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EP1473208A1
EP1473208A1 EP03009575A EP03009575A EP1473208A1 EP 1473208 A1 EP1473208 A1 EP 1473208A1 EP 03009575 A EP03009575 A EP 03009575A EP 03009575 A EP03009575 A EP 03009575A EP 1473208 A1 EP1473208 A1 EP 1473208A1
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EP
European Patent Office
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frequency
receiver
transmitter
information
track
Prior art date
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EP03009575A
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English (en)
French (fr)
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EP1473208B1 (de
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Rolf Schmid
Manja Eichenberger
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Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Schweiz AG
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Publication date
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Priority to DE50301090T priority patent/DE50301090D1/de
Priority to ES03009575T priority patent/ES2247447T3/es
Priority to AT03009575T priority patent/ATE303277T1/de
Publication of EP1473208A1 publication Critical patent/EP1473208A1/de
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Publication of EP1473208B1 publication Critical patent/EP1473208B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/16—Devices for counting axles; Devices for counting vehicles
    • B61L1/167—Circuit details
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/18—Railway track circuits
    • B61L1/181—Details
    • B61L1/188—Use of coded current

Definitions

  • the present invention relates to a method for detection a track occupancy according to the preamble of the claim 1.
  • Electronic detection systems and especially electronic Working axle counters have the disadvantage that they have the relevant working frequencies, e.g. 33 kHz, 43 kHz or 850 kHz or 1.2 MHz exposed to interference are and therefore have limited availability.
  • the interference can cause, for example are made using electric eddy current brakes and converter locomotives.
  • a relocation of the Working frequencies in supposedly interference-free areas bring no lasting success.
  • No working frequency can actually cause interference be set outside the frequency band of the whole of sources of interference.
  • an interference field due to a first coreless coil detect and provide a second coreless coil to the To compensate for interference. With this application none full compensation can be achieved as this is only for homogeneous interference fields.
  • a wheel sensor which has two independent, has galvanically isolated wheel sensor systems. Detect them the wheel flange of a railway wheel. The principle of action is based on an alternating electromagnetic field energy is extracted by damping with metal. This System requires monitoring of correct assembly.
  • the present invention is therefore based on the object specify a method for the detection of the track occupancy, that largely immune to electromagnetic interference is in a wide frequency range and no settings required during assembly.
  • the method according to the invention opens up the possibility of existing installations on the track, be it now Axle counter or track circuits to continue to use.
  • the transmitter unit and receiver unit requires this Method according to the invention no calibration and none level settings during assembly.
  • the spectral is a broadband signal containing information ensures that occurring interference fields, for example by magnetic rail brakes or eddy current brakes caused, do not affect the safety-related Exercise detection of a track occupancy.
  • the spectrally broadband signal containing information can be coded in different ways, for example through the Direct Sequence Spread Spectrum Technology (DSSS) or by repetitively sending a rising or falling Frequency curve. Because with this procedure there is always a recipient is present, this receiver can also be used for detection of static or transient interference fields and thus in the sense of a learning system the one to be sent out Frequency curve possibly outside or on Edge of an interference field and security be further improved. But this learning behavior is not absolutely necessary for the method according to the invention.
  • DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Technology
  • Frequency shift keying technique also called: Frequency shift keying method
  • Information S B spread in this way is modulated onto a carrier frequency.
  • Fig. 1 shows two separated by a rail insulation 12 Track sections.
  • a track section is in the distance d from a transmitter / transmitter 5 a receiving circuit with a Receiver / transmitter 6 connected.
  • a typical area for such a distance d is 25 m in the interval. 2500 m.
  • the one so modulated Carrier frequency when used in a track circuit 1 to the transmission coil 51 as Part of a transformer 5 switched.
  • the secondary transmitter coil 52 as part of the transformer 5 is on the two rails 3rd a track section connected.
  • the receiver / transmitter 6 has a reception coil 62 in the primary circuit and Secondary circuit on a receiving coil 61.
  • the principal Function of such a track circuit in DC or AC technology is the following: Reacts to a resting track circuit a receiving device on a free track and that Track relay or electronic detection "picks up". If there is a wagon on the track section, change the electrical conditions. There is a shunt, so that by the receiving device only a small one Residual current flows. This determines that the section is occupied because the track relay then no longer "picks up”.
  • This structure has the consequence that all frequently occurring Faults such as circuit interruptions (e.g. by a Wire break or defective fuses) to an alleged lead occupied track section.
  • This procedure in DCoder AC technology has the disadvantage that reverse currents can simulate an assignment in the rails that do not display any assignment by an axle or vehicle.
  • the spread signal modulated onto a carrier frequency band is broadband.
  • the specified upper limit of the frequency band is explained by the fact that emission limit values must be observed above this frequency.
  • the level of the signal S B 'received by the receiver 6 in the receiving coil 62 depends on the presence of a wheel 1 in the immediate vicinity of the transmitter / receiver arranged on the rail. In a receiving device (not shown in the figures), this signal S B 'must be despread. This is generally much more complex than spreading.
  • the transmission clock is present directly in the reception device, because the transmission and reception device can be implemented directly next to one another or as an integrated device.
  • This essential requirement generally does not apply to a message transmission using DSSS technology.
  • no special synchronization effort is required in the receiving device.
  • the received signal S B ' is in turn XOR-linked with the same Barker code B.
  • the received signal S B ' has a profile S i at point i .
  • a non-ideal course also occurs at the other points, but this is not shown in FIG. 5, but is only shown as an example for point i.
  • This signal S i deviates by D i from the average signal strength S Avg .
  • the deviation D i is then multiplied by -1 if the value of the Barker code at point i is 1.
  • the result R i is calculated from this value added to the mean signal strength S Avg .
  • the transmitted spread S B can nevertheless be regenerated as information S.
  • the following frequencies or a frequency band from the frequency band listed below are used as examples for the transmission: 10 kHz .. 30 MHz.
  • the information S is spread with a further Barker code B 2 , this code comprising m 2 digits.
  • the spread signal S B2 is modulated on a carrier frequency band which is disjunct to the first carrier frequency band.
  • No special conditions apply to the Barker Code B 2 , in particular the lengths m and m 2 can be different.
  • a redundant two-channel system for the detection of a track occupancy is created, which is largely immune to interference on certain frequency bands and thus optimally fulfills the security requirements.
  • no second installation of facilities on the track is required.
  • Such a second channel with a further Barker code B 2 can be implemented with relatively little effort.
  • the second embodiment of the present invention will based on the "magnetic" implementation form according to the 2 and 3 explained.
  • the receiving coils 9a and 9b detect over the field lines 13 the spectrum emitted by the transmitter coil 5.
  • the level this spectrum depends on the presence of a Wheel or an object made of a magnetic material between transmitter coil 5 and receiver coil 9a and 9b.
  • a reception level P S is shown at a current level distance P D , it is assumed that an interference field D f is present in a small sub-area around a frequency f.
  • the above-mentioned term "currently" means for the frequency f in question at a specific point in time.
  • This reception level occurs with a reception coil 9a or 9b.
  • This interference field is of course part of the received signal S B , with the level P S ,. For clarification, however, this is particularly designated D f in FIG.
  • a self-calibration can determine whether the respective level difference P D between P S and P S corresponds to the presence of a wheel or not.
  • This level difference P D is "falsified” by the aforementioned interference field.
  • this is irrelevant for the determination of the presence or absence of a wheel when the respective distance P D is detected in discrete intervals over the frequency P D range [f 1 .. f 12 ], continuously summed up and finally averaged.
  • “outliers" due to an interference field have no influence on the aforementioned determination of the presence or absence of a wheel.
  • the interference fields are highly transient, so that with the specified repetition T REP in the range of 10 - 2000 ⁇ s, the current state regarding the presence / absence of a wheel on a sensor is determined several times.
  • FIG. 8 shows the evaluation of the frequency profiles f a and f b generated according to FIG. 6a in an implementation with digital signal processors in a basic representation.
  • the transmission device 50 has a voltage-controlled oscillator 55 (VCO voltage controlled oscillator).
  • a controller 56 generates a corresponding voltage profile for the desired frequency profile.
  • Not shown in FIG. 9 is a possible return to avoid transient or quasi-static interference fields detected in the receiving coils 9a and 9b.
  • a transmit clock generator 54 is provided for determining the respective distance T from the two frequency profiles f a , f b as well as for repeating T REP .
  • the receiving coils 9a and 9b are each connected to a broadband filter 71.
  • the transmit clock generator is also connected to bandwidth-attenuated filters 71 in order to supply the received level of the respective frequency to the A / D converters 72 in the respective time pattern.
  • the digital values of the levels in discrete time intervals are levels at certain frequencies, see FIG. 6c. Although the frequency is indicated on the abscissa, in a method with, for example, a linearly increasing frequency, this abscissa is also underlaid with a time axis.
  • These digital levels are subjected to a reference storage 64 over time in order to be able to compensate for any signs of aging.
  • the time constant here is on the order of weeks or months.
  • the above-mentioned digital signals are used for wheel or axle recovery, as explained further above in relation to FIGS.
  • the result is a value of ⁇ 1.
  • the sign contains the direction of travel.
  • the long-term feedback of the stored reference values means that this embodiment of the present invention does not require any external calibration.
  • the aforementioned value ⁇ 1 is further evaluated in the axle counting electronics 80 in a known manner.
  • first profile f a can also be designed to rise and the second profile f b to decrease.
  • the method explained above can also be carried out in two channels. Independent transmission devices 6c and 6d are provided for a second channel, which generate a frequency response f c and f d as shown in FIG. 6a. Regardless of the course f a and f b , the corresponding courses f c and f d can be registered in the receiving coils 9c and 9d and analyzed or correlated in the receiving devices 6c and 6b.
  • This two-channel version enables the required security requirements with regard to redundancy and independence to be met.
  • the transmitter coil 5 is a static element. Any impairment of the function of the transmitter coil 5 can be determined from the transmitter side and is therefore independent of signals from the receiving circuits.

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Abstract

Die Umgebung des Geleisekörpers (3) ist erheblichen elektromagnetischen Störbeeinflussungen durch z.B. Traktionsrückströme, Wirbelstrombremsen oder Magnetschienenbremsen ausgesetzt. Dadurch wird die Funktionstüchtigkeit von Geleisestromkreisen und von an einer Schiene (3) angebrachten magnetischen Raddetektoren (5, 9a, 9b; 9c, 9d) stark beeinträchtigen. Um diese Störbeeinflussungen in sicherheitsrelevanter Hinsicht unwirksam zu machen, wird vorgeschlagen, die vorgenannten Einrichtungen mit einem spektral breitbandigen Signal zu beaufschlagen. Besonders vorteilhaft sind dabei das Direct Sequence Spread Spectrum-Verfahren (DSSS) und das Frequency Sweep Keying-Verfahren (FSK). Durch eine Codierung können bestehende Gleisstromkreise oder Raddetektoren ohne zusätzliche Installation am Geleise (3) echt zweikanalig (5a, 5b; 5c, 5d; 6a, 6b; 6c, 6d) betrieben werden und dadurch hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Geleisebelegung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Eisenbahnsicherungstechnik ist bekannt, die Belegung eines Geleises mit einem Gleisstromkreis zu detektieren. Dazu sind die beiden Schienen eines Geleiseabschnittes voneinander isoliert. Beim Befahren durch einen Eisenbahnfahrzeug werden die beiden Schienen elektrisch kurzgeschlossen und dadurch kann die Belegung zuverlässig festgestellt werden. Ebenso sind Gleisfreimeldeverfahren mittels der Achszählung - mechanisch oder elektronisch - bekannt. Beispielsweise ist in [1] ein Achsdetektor offenbart, bei dem mittels einer Induktivität, die durch eine Leiterschlaufe und den Schienen in einem begrenzten Abschnitt gebildet wird, die Vorüberfahrt eines Wagens bzw. einer Achse durch Kurzschliessen der vorgenannten Induktivität festgestellt wird. Eine Anwendung eines Achszählsensors ist in [2] vorgestellt. Elektronische Detektionssysteme und insbesondere elektronisch arbeitenden Achszähler weisen den Nachteil auf, dass sie auf den betreffenden Arbeitsfrequenzen wie z.B. 33 kHz, 43 kHZ oder 850 kHz oder 1.2 MHz den Störbeeinflussungen ausgesetzt sind und demzufolge eine beschränkte Verfügbarkeit aufweisen. Die Störbeeinflussungen können beispielsweise verursacht werden durch elektrische Wirbelstrombremsen und Umrichterlokomotiven. Wie in [3] ausgeführt, kann eine Verlegung der Arbeitsfrequenzen in vermeintlich störfeldfreie Bereiche, keinen dauerhaften Erfolg bringen. Gerade bei sehr breitbandigen Störquellen kann eigentlich keine Arbeitsfrequenz festgelegt werden, die ausserhalb des Frequenzbandes der Gesamtheit der Störquellen liegt. Dazu wird in [3] vorgeschlagen, ein Störfeld durch eine erste kernlose Spule zu detektieren und eine zweite kernlose Spule vorzusehen, um das Störfeld zu kompensieren. Bei dieser Anwendung kann keine vollständige Kompensation erreicht werden, da diese nur für homogene Störfelder wirkt. Da die Feldverteilung radial um das Schienenprofil geht, sind inhomogene Störfelder stets vorhanden. Die Kompensation wirkt bei der Resonanz eines Kreises um einen Arbeitsfrequenzpunkt deshalb nicht vollständig, da die Kompensation frequenzabhängig ist. Eine Überlagerung durch starke Transientenströme kann Ausschwingsignale bzw. keine Kompensation des Störfeldes zur Folge haben.
In [4] wird ein Radsensor vorgeschlagen, der zwei unabhängige, galvanisch getrennte Radsensorsysteme aufweist. Diese detektieren den Spurkranz eines Eisenbahnrades. Das Wirkprinzip basiert darauf, dass einem elektromagnetischen Wechselfeld durch Bedämpfung mit Metall Energie entzogen wird. Dieses System erfordert eine Überwachung der korrekten Montage.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion der Geleisebelegung anzugeben, dass weitestgehend immun gegen elektromagnetische Störbeeinflussungen in einem weiten Frequenzbereich ist und keine Einstellungen bei der Montage erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren eröffnet sich die Möglichkeit, bestehende Installationen am Geleise, seien es nun Achszähler oder Gleisstromkreise, weiter zu nutzen. Durch die Kopplung von Sendeeinheit und Empfangseinheit erfordert das erfindungsgemässe Verfahren keine Kalibrierung und keine pegelmässigen Einstellungen bei der Montage. Durch das spektral breitbandige, eine Information enthaltende Signal ist sichergestellt, dass auftretende Störfelder, die beispielsweise durch Magnetschienenbremsen oder Wirbelstrombremsen verursacht werden, keinen Einfluss auf die sicherheitsrelevante Detektion einer Geleisebelegung ausüben.
Das spektral breitbandige eine Information enthaltende Signal lässt sich auf verschiedene Arten codieren, beispielsweise durch die Direct Sequence Spread Spectrum Technik (DSSS) oder durch repetitives Aussenden eines ansteigenden oder fallenden Frequenzverlaufes. Da bei diesem Verfahren stets ein Empfänger vorhanden ist, lässt sich dieser Empfänger auch zur Feststellung von statischen oder transienten Störfeldern nutzen und dadurch kann im Sinne eines lernenden Systems der auszusendene Frequenzverlauf gegebenenfalls ausserhalb oder am Rande eines Störfeldes angelegt werden und die Sicherheit weiter verbessert werden. Dieses lernende Verhalten ist aber für das erfindungsgemässe Verfahren nicht zwingend notwendig.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1
Prinzipdarstellung eines Gleisstromkreises bei Anwendung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2
Anordnung von Sende- und Empfangsspulen am Gleis;
Figur 3
Aufbau eines Radsensors in montiertem Zustand an einer Schiene;
Figur 4
Prinzipdarstellung der Spreizung eines Signals für die DSSS-Technik;
Figur 5
Darstellung eines gestörten Signals SB';
Figur 6a
Darstellung des zeitlich linearen FSK-Verfahrens
Figur 6b
Darstellung des zeitlich logarithmischen FSK-Verfahrens;
Figur 6c
Darstellung des Verlaufes des Sende- und Empfangspegels über ein Frequenzband beim FSK-Verfahren;
Figur 7
Prinzipschema zur Raddetektion für FSK-Verfahren;
Figur 8
Prinzipschema zur Raddetektion für FSK-Verfahren für digitalen Signalprozessoren.
Die Erfindung wird anhand zweier Codierverfahren unter Verwendung eines breitbandigen Frequenzbereiches zur Detektion einer Geleisebelegung erläutert:
  • 1. Detektion mit der Direct Sequence Spread Spectrum Technik, im folgenden DSSS-Technik genannt;
  • 2. Detektion mittels Frequency Sweep Keying Technik; im folgenden FSK-Technik genannt. Bei dieser FSK-Technik ist ein steigender oder fallender Frequenzverlauf innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes vorgesehen: "überstreichen" = sweep des Frequenzbandes.
    • In dieser Schrift wird die Frequency Sweep Keying Technik abweichend von der sonst üblicherweise verwendeten Bedeutung mit FSK-Technik bezeichnet. Sie darf daher nicht mit der sogenannten Frequency Shift Keying Technik (auch genannt: Verfahren der Frequenzumtastung) verwechselt werden, für die ebenfalls das Akronym FSK gebräuchlich ist.
    Die vorgenannten zwei Techniken sind anwendbar bei:
  • A1 "Galvanische" Detektion einer Geleisebelegung über einen Gleisstromkreis durch "Kurzschliessen" zweier einen Geleiseabschnitt bildende Schienen;
  • A2 magnetische Detektion eines Rades und Anwendung einer Rad- bzw. Achszählmethode.
    • Für die magnetische Detektion erfolgt eine Erläuterung anhand der Figuren 2 und 3. Die magnetische oder galvanische Detektion sind dabei unabhängig von den vorerwähnten zwei Codierverfahren.
    Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der "galvanischen" Implementierungsform gemäss der Figur 1 erläutert und beinhaltet folgende Schritte:
  • Ein Information S in binärer Darstellung der Breite n Bit wird gemäss der DSSS-Technik mit einer sogenannten "Chipping Sequence" B - auch Barker Code B genannt - exklusiv-oder verknüpft. Diese Verknüpfung wird meist mit XOR bezeichnet.
    • Die Verknüpfung XOR ist in Figur 4 dargestellt, wobei für die Information S lediglich eine Breite von n = 2 Bit angenommen wurde, das Ergebnis der Verknüpfung XOR mit dem Barker Code B ist mit SB bezeichnet. Die Breite m des Barker Codes B beträgt in dieser Darstellung m = 11 Bit. Eine auf diese Weise gespreizte Information SB wird auf eine Trägerfrequenz moduliert.
    Fig. 1 zeigt zwei durch eine Schienenisolierung 12 getrennte Geleiseabschnitte. Für einen Geleiseabschnitt ist im Abstand d von einem Sender/Übertrager 5 ein Empfangskreis mit einem Empfänger/Übertrager 6 angeschlossen. Ein typischer Bereich für einen solchen Abstand d liegt im Intervall 25 m .. 2500 m. Wie vorstehend ausgeführt, wird die so modulierte Trägerfrequenz in der Anwendung in einem Gleisstromkreis gemäss der Darstellung von Fig. 1 auf die Sendespule 51 als Teil eines Übertragers 5 geschaltet. Die sekundäre Sendespule 52 als Teil des Übertragers 5 ist an die beiden Schienen 3 eines Geleiseabschnittes angeschlossen. Der Empfänger/Übertrager 6 weist im Primärkreis eine Empfangsspule 62 und im Sekundärkreis eine Empfangsspule 61 auf. Die prinzipielle Funktion eines solchen Gleisstromkreises in DC- oder AC-Technik ist folgende: Bei einem Ruhe-Gleisstromkreis reagiert eine Empfangseinrichtung bei einem freien Geleise und das Geleiserelais oder eine elektronische Detektion "zieht an". Befindet sich ein Wagon auf dem Geleiseabschnitt, ändern sich die elektrischen Verhältnisse. Es entsteht ein Nebenschluss, so dass durch die Empfangseinrichtung nur noch ein kleiner Reststrom fließt. Damit wird festgestellt, dass der Abschnitt belegt ist, da das Geleiserelais dann nicht mehr "anzieht". Dieser Aufbau hat zur Folge, dass alle häufig auftretenden Fehler wie Unterbrechungen des Stromkreises (z.B. durch einen Leitungsbruch oder defekte Sicherungen) zu einem angeblich besetzten Geleiseabschnitt führen. Dieses Verfahren in DCoder AC-Technik ist mit dem Nachteil behaftet, dass Rückströme in den Schienen eine Belegung simulieren können, die gar keine Belegung durch eine Achse bzw. Fahrzeug darstellen.
    Dies trifft auch bei einem DC-Kreis zu, da aufgrund der hohen Ströme auch nur wenige Promille eines DC-Anteils die vorgenannten Relais zum Ansprechen bzw. nicht Ansprechen bringen. Dieser Nachteil wird in dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch behoben, dass das auf ein Trägerfrequenzband modulierte gespreizte Signal breitbandig ist. Die angegebene obere Grenze des Frequenzbandes erklärt sich dadurch, dass oberhalb dieser Frequenz Emissionsgrenzwerte einzuhalten sind. Der Pegel des vom Empfänger 6 in der Empfangsspule 62 empfangenen Signals SB' ist abhängig von der Anwesenheit eines Rades 1 in der unmittelbaren Umgebung der an der Schiene angeordneten Sender/Empfänger. In einer Empfangseinrichtung (nicht dargestellt in den Figuren) muss dieses Signal SB'entspreizt werden. Dies ist im allgemeinen wesentlich komplexer als die Spreizung. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft, dass in der Empfangseinrichtung der Sendetakt direkt vorhanden ist, weil Sende- und Empfangseinrichtung unmittelbar nebeneinander oder als integrierte Einrichtung realisiert werden können. Diese wesentliche Voraussetzung trifft bei einer Nachrichtenübertragung in DSSS-Technik im allgemeinen nicht zu. Somit ist in der Empfangseinrichtung kein besonderer Aufwand zur Synchronisation vorzusehen. Das empfangene Signal SB' wird wiederum mit dem gleichen Barker Code B XOR-verknüpft. Das empfangene Signal SB' hat gemäss der Figur 5 an der Stelle i einen Verlauf Si. Selbstverständlich tritt auch an den anderen Stellen ein nicht idealer Verlauf auf, dies ist in der Figur 5 jedoch nicht dargestellt, sondern lediglich exemplarisch für die Stelle i dargestellt. Dieses Signal Si weicht um Di von der mittleren Signalstärke SAvg ab. Die Abweichung Di wird anschliessend mit -1 multipliziert, falls der Wert des Barker Codes an der Stelle i gleich 1 ist. Das Resultat Ri berechnet sich aus diesem Wert addiert zur mittleren Signalstärke SAvg. Ein Integrator summiert die dabei erhaltenen Werte für jede Stelle i = 1, 2, .. n des Barker Codes der Länge n. Ist das Ergebnis grösser als die mittlere Signalstärke SAvg so entscheidet ein Komparator für dieses Bit (der Nutzinformation S) auf 1, sonst auf 0. Auf diese Weise kann nun entschieden werden, ob an der betreffenden Stelle der Schiene sich ein Rad befindet oder nicht.
    Der besondere Vorteil des vorstehend genannten Codierung mit der DSSS-Technik liegt darin, dass eine elffache Redundanz vorliegt. Dies ist gegeben durch die Barker Code Breite von m = 11. Bei einer schmalbandigen Störung an verschiedenen Stellen im Frequenzband kann dadurch das übertragene gespreizte SB trotzdem als Information S regeneriert werden. Für die Übertragung werden beispielhaft folgende Frequenzen bzw. ein Frequenzband aus dem nachfolgend aufgeführten Frequenzband verwendet:
       10 kHz .. 30 MHz.
    In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung kann unter Nutzung der bestehenden Infrastruktur wie der vorstehend genannte Geleisestromkreis zur Erhöhung der Detektionssicherheit folgendes vorgesehen werden: Die Information S wird mit einem weiteren Barker Code B2 gespreizt, wobei dieser Code m2 Stellen umfasst. Das gespreizte Signal SB2 wird auf einem gegenüber dem ersten Trägerfrequenzband disjunkten Trägerfrequenzband moduliert. Für den Barker Code B2 gelten keine besonderen Bedingungen, insbesondere können die Längen m und m2 verschieden sein. Auf diese Weise ist ein redundantes zweikanalsystem zur Detektion einer Geleisebelegung geschaffen, das gegenüber einer Störung auf bestimmten Frequenzbändern weitestgehend immun ist und dadurch gestellte Sicherheitsanforderungen optimal erfüllt. Trotz der Redundanz ist keine Zweitinstallation von Einrichtungen am Geleise erforderlich. Ein solcher zweiter Kanal mit einem weiteren Barker Code B2 ist mit relativ geringem Aufwand implementierbar.
    Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der "magnetischen" Implementierungsform gemäss den Fig. 2 und 3 erläutert.
    Figur 2 zeigt die Anordnung eines Senders 5 und eines Empfängers 6 links und rechts einer Schiene 3 eines Geleises 11. Sender 5 und Empfänger 6 sind über eine Anschlussleitung 8 mit einer Anschlussklemme verbunden. Zu beachten ist, dass der Empfänger 6 wenigstens zwei Empfangsspule 9a und 9b (nicht dargestellt in den Fig. 2 und 3) aufweist, die typischer Weise in einem Abstand von etwa 10 cm (- 0 cm; + 10 cm) angeordnet sind. In Figur 3 ist die konstruktive Anordnung des Senders 5 und des Empfängers 6 in einem Radsensor 9 dargestellt. In einem Gehäuse sind geschützt Sender 5 und Empfänger 6 resp. Empfangsspulen 9a, 9b, .. untergebracht und mit einem Befestigungsmittel 7, wie z.B. eine Schraubverbindung, fest mit der Schiene 3 verbunden. Die Anschlussleitungen 8 werden vom Geleise her gesehen nach aussen zu einer nicht darstellten Anschlussklemme 10 geführt. Ebenfalls nicht dargestellt ist die Befestigung der Schiene an der durch die Oberkante 4 dargestellten Schwellen. Zwischen Sender 5 und Empfänger 6 sind über die Schienenoberkante führende Feldlinien 13 dargestellt. Der Verlauf der Feldlinien 13 wird dabei durch ein vorbeirollendes Rad 1 beeinflusst. Zur Darstellung der Orientierung ist das Rad 1 mit einem Radkranz 2 gezeigt. Der Sender 5 resp. die Sendespule erstrecken sich über die wenigstens zwei Empfangsspulen 9a, 9b. Es könnten jedoch noch weitere Empfangsspule 9c und 9d vorgesehen sein. Die Sendespule 5 wird in einer ersten Variante mit einem Signal gemäss der Darstellung von Fig. 6a beaufschlagt. Dieses Signal, d.h. die Frequenzverlauf fa wird repetitiv in einem Raster von Trep ausgesendet. Dieser Frequenzverlauf fa ist innerhalb von Trep linear über die Zeit von einer ersten unteren Frequenz f1 zu einer oberen Frequenz f2. In der Fachsprache wird ein so linear oder anders ansteigender oder fallender Frequenzverlauf als "Sweep" bezeichnet. In einem zeitlichen Abstand von Tab wird ein weiterer Verlauf fb auf die Sendespule 5 geschaltet. Der zeitliche Abstand Tab kann als Codierung einer bestimmten Information S herangezogen werden. Typische Werte für die vorgenannten Variablen sind:
  • f1 = 10 kHz
  • f2 = 10 MHz
  • Trep = 10 .. 2000 µs
  • Tab = 2 .. 500 µs
    • Die Empfangsspulen 9a und 9b detektieren über die Feldlinien 13 das von der Sendespule 5 ausgesandte Spektrum. Der Pegel dieses Spektrums ist dabei abhängig von der Anwesenheit eines Rades bzw. eines Gegenstandes aus einem magnetischen Material zwischen Sendespule 5 und Empfangsspule 9a und 9b.
    In der Fig. 6c ist ein konstanter Pegel Ps über den Frequenzbereich dargestellt, der durch die untere Frequenz f1 und die obere Frequenz f2 definiert ist. Der Sendespule 5 wird dabei über den vorgenannten Frequenzbereich [f1 .. f12] dieser Pegel zugeführt. Im gleichen Diagramm ist in einem momentanen Pegelabstand PD ein Empfangspegel PS, dargestellt, dabei wird angenommen, dass in einem kleinen Teilbereich um eine Frequenz f eine Störfeld Df vorhanden ist. Der vorstehend erwähnte Begriff "momentan" bedeutet dabei für die betreffende Frequenz f zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dieser Empfangspegel tritt bei einer Empfangspule 9a oder 9b auf. Dieses Störfeld ist selbstverständlich Teil des empfangenen Signals SB, mit dem Pegel PS,. Zur Verdeutlichung ist dies jedoch in der Figur 6c besonders mit Df bezeichnet. Aufgrund einer Selbstkalibration ist feststellbar, ob der jeweilige Pegelunterschied PD zwischen PS und PS, der Anwesenheit eines Rades entspricht oder nicht. Dieser Pegelunterschied PD wird durch das vorgenannte Störfeld "verfälscht". Dies ist jedoch für die Feststellung der Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Rades unerheblich, als in diskreten Intervallen über den Frequenz PD bereich [f1 .. f12] der jeweilige Abstand PD detektiert, fortlaufend summiert und schlieslich gemittelt wird. Somit haben durch ein Störfeld bedingte "Ausreisser" keinen Einfluss auf die vorgenannte Feststellung der Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Rades. Darüber hinaus sind die Störfelder hochgradig transient, so dass mit der vorgegebenen Repetition TREP im Bereich von 10 - 2000 µs der momentane Zustand bezüglich der Anwesenheit/Abwesenheit eines Rades an einem Sensor mehrfach ermittelt wird.
    Für die weitere Auswertung des empfangenen Spektrums wird auf die Figuren 7 und 8 Bezug genommen.
    Fig. 7 zeigt ein erstes Prinzipschema zur Raddektion mittels dem FSK-Verfahren. Mit den Bezugszeichen 5a, 5b, usw. sind synchronisierte Sendeeinrichtungen für den Frequenzverlauf fa, fb, usw. dargestellt. Die von den Sendeeinrichtungen 5a, 5b, usw. erzeugten Signale werden der Sendespule 5 zugeführt. Abhängig von der Anwesenheit eines Rades im Bereich der Sendespule 5 erfolgt in den Empfangsspulen 9a, 9b, usw. eine Induktion. Diese Empfangsspulen 9a, 9b, usw. sind an je eine Empfangseinrichtung 6a, 6b, usw. angeschlossen die ihrerseits mit einem Generator für die Erzeugung der Repetitionszeit TREP angeschlossen sind. Auf diese Weise kann in den Empfangseinrichtungen 6a, 6b, usw. das empfangene Signal mit dem den Sendespulen zugeführten Signal korreliert werden und auftretende Pegelunterschiede für die Anwesenheit eines Rades herangezogen werden. In einer Minimalausführungsform, das heisst in einer einkanaligen Ausführungsform, sind zwei Empfangseinrichtung 6a und 6b vorzusehen. Diesen ist je ein synchronisiertes Bandpassfilter vorgeschaltet. Die Synchronisation erstreckt sich dabei über den jeweiligen Frequenzverlauf fa, fb. Auf diese Weise können Störungen in einem bestimmten Frequenzbereich zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgefiltert werden, ohne dass deswegen das in den Empfangsspulen 9a, 9b induzierte Signal dadurch "verfälscht" wird. Auf diese Weise ist selbst bei spektral und pegelmässig massiven Störungen eine Korrelation mit dem ausgesendeten Signal möglich und erlaubt daher eine von der Störbeeinflussung unabhängige Detektion eines Rades durch einen so beaufschlagten Radsensor 9. Es sind in einer einkanaligen Ausführung deshalb zwei Empfangsspulen 9a, 9b und zwei Empfangseinrichtung 6a und 6b erforderlich, um die Richtung der Radbewegung feststellen zu können. Aufgrund der festgestellten Richtung wird für den betreffenden Geleiseabschnitt ein Zähler um 1 hoch bzw. herunter getaktet. Die Detektion einer Geleisebelegung selber erfolgt aufgrund des Zählerstandes für den betreffenden Geleiseabschnitt:
  • Zählerstand = 0 : Geleiseabschnitt ist frei;
  • Zählerstand ≠ 0 : Geleiseabschnitt ist belegt.
    • In der Figur 8 ist die Auswertung der gemäss den Fig. 6a erzeugten Frequenzverläufe fa und fb in einer Implementierung mit digitalen Signalprozessoren in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Die Sendeeinrichtung 50 weist einen spannungsgesteuerten Oszillator 55 (VCO voltage controlled oscillator) auf. Eine Steuerung 56 erzeugt für den gewünschten Frequenzverlauf einen entsprechenden Spannungsverlauf. Nicht dargestellt in der Figur 9 ist eine eventuell vorzusehende Rückführung, um in den Empfangsspulen 9a und 9b festgestellten transienten oder quasistatischen Störfeldern auszuweichen. Für die Bestimmung des jeweiligen Abstandes Tab der beiden Frequenzverläufe fa, fb wie auch für die Wiederholung TREP ist ein Sendetaktgenerator 54 vorgesehen. Die Empfangsspulen 9a und 9b sind mit je einem breitbandigen Filter 71 verbunden. Der Sendetaktgenerator ist ebenfalls mit bandbreiten gedämpften Filtern 71 verbunden, um im jeweiligen Zeitraster den empfangenen Pegel nur der jeweiligen Frequenz den A/D-Wandlern 72 zuzuführen. Die in diskreten zeitabständen digitalen Werte der Pegel sind Pegel zu bestimmten Frequenzen, siehe dazu die Fig. 6c. Hier ist zwar auf der Abszisse die Frequenz angegeben, bei einem Verfahren mit z.B. linear ansteigender Frequenz ist dieser Abszisse auch eine Zeitachse unterlegt. Diese digitalen Pegel werden über die Zeit einer Referenzspeicherung 64 unterzogen, um allfällige Alterungserscheinungen ausgleichen zu können. Die Zeitkonstante beträgt hier Grössenordnungen von Wochen oder Monaten. Die vorgenannten digitalen Signale werden, wie weiter vorne zu den Figuren 6a und 6c erläutert, zur Rad- bzw. Achsrückgewinnung herangezogen. Als Ergebnis resultiert ein Wert ± 1. Das Vorzeichen enthält dabei die Überfahrrichtung. Die Langzeitrückführung der gespeicherten Referenzwerte hat zur Folge, dass diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung keiner externen Kalibration bedarf. Der vorgenannte Wert ± 1 wird in bekannter Weise in der Achszählelektronik 80 weiter ausgewertet.
    Die vorstehend genannten Auswertungen/Analysen für einen über das zeitraster linearen Frequenzverlauf fa, fb gemäss der Fig. 6a können zur Erhöhung der Robustheit des erfindungsgemässen Verfahrens auch für einen Frequenzverlauf fa und fb gemäss der Fig. 6b eingesetzt werden. In Fig. 6b ist ein logarithmischer Verlauf dargestellt, dabei ist die Skala f1 bis f2 linear. Möglich gewesen wäre auch eine Darstellung mit einer logarithmischen Skala, wobei die graphische Darstellung dann als "linear" erscheint. Der Vorteil eines logarithmischen Verlaufes liegt darin, dass die Verweildauer in einem angenommenen Störband fd1 und fd2 kürzer ist als beim zeitlich linearen Verlauf gemäss der Fig. 6a. Auf diese Weise kann einem statisch bekannten Störband zusätzlich ausgewichen werden. Da in der Empfangseinrichtung 6a, 6b, usw. der jeweilig ausgesandte Frequenzverlauf fa, fb, usw. bekannt ist, wäre es auch möglich, durch eine Detektion und Analyse des "Störfeldes" den auszusenden Frequenzverlauf so festzulegen, dass dem momentanen, quasistatischen Störfeld ausgewichen werden kann. Dies führt zu sogenannt lernenden Sendeeinrichtungen 5a, 5b usw. Gemäss den Fig. 6a und 6b ist der Frequenzverlauf über die Zeit streng monoton ansteigend. Möglich ist es aber auch, einen Frequenzverlauf vorzusehen der entweder monoton steigend, monoton fallend oder streng monoton fallend ist.
    In einer weiteren Ausführungsform kann auch der erste Verlauf fa steigend und der zweite Verlauf fb fallend ausgebildet sein.
    Das vorstehend erläuterte Verfahren kann auch zweikanalig ausgeführt sein. Dabei sind unabhängige Sendeeinrichtungen 6c und 6d für einen zweiten Kanal vorgesehen, die einen Frequenzverlauf fc und fd gemäss der Darstellung in Fig. 6a erzeugen. Unabhängig vom Verlauf fa und fb können in den Empfangsspulen 9c und 9d die entsprechenden Verläufe fc und fd registriert und in den Empfangseinrichtungen 6c und 6b analysiert bzw. korreliert. Durch diese zweikanalige Ausführung können die geforderten Sicherheitsanforderung hinsichtlich Redundanz und Unabhängigkeit erfüllt werden. Die Sendespule 5 ist dabei ein statisches Element. Eine allfällige Beeinträchtigung der Funktion der Sendespule 5 kann von der Senderseite her festgestellt werden und ist somit unabhängig von Signalen der Empfangskreise.
    Liste der verwendeten Bezugszeichen
    1
    Rad
    2
    Radkranz
    3
    Schiene
    4
    Schwelle, Oberkante Schwelle
    5
    Sender, Übertrager
    5a
    1. Sendeeinrichtung für ersten Kanal mit synchronisiertem Träger der Frequenz fa
    5b
    2. Sendeeinrichtung ersten Kanal mit synchronisiertem Träger der Frequenz fb
    5c
    3. Sendeeinrichtung für zweiten Kanal mit synchronisiertem Träger der Frequenz fc
    5d
    4. Sendeeinrichtung für zweiten Kanal mit synchronisiertem Träger der Frequenz fd
    6
    Empfänger, Übertrager
    6a
    1. Empfangseinrichtung für ersten Kanal mit synchronisiertem Bandpassfilter
    6b
    2. Empfangseinrichtung für ersten Kanal mit synchronisiertem Bandpassfilter
    6c
    1. Empfangseinrichtung für zweiten Kanal mit synchronisiertem Bandpassfilter
    6d
    2. Empfangseinrichtung für zweiten Kanal mit synchronisiertem Bandpassfilter
    7
    Befestigungsmittel für Sender/Empfänger
    8
    Anschlussleitungen
    9
    Radsensor
    9a
    1. Empfänger/Empfangsspule für ersten Kanal
    9b
    2. Empfänger/Empfangsspule für ersten Kanal
    9c
    1. Empfänger/Empfangsspule für zweiten Kanal
    9d
    2. Empfänger/Empfangsspule für zweiten Kanal
    10
    Anschlussklemme
    11
    Geleise
    12
    Schienenisolierung
    13
    Darstellung Verlauf Feldlinien
    20
    Generator für Repetitionszeit
    50
    Sendeeinrichtung
    51
    Sendespule Primärkreis, Übertrager
    52
    Sendespule Sekundärkreis, Übertrager
    53
    Verstärker
    54
    Sendetakt
    55
    spannungsgesteuerter Oszillator, VCO Voltage controlled oscilltor
    56
    Steuerung für Frequenz- bzw. Spannungsverlauf
    60
    Empfangseinrichtung
    61
    Empfängerspule Sekundärkreis, Übertrager
    62
    Empfängerspule Primärkreis, Übertrager
    63
    Achsrückgewinnung, ± 1
    64
    Referenzwertspeicherung über die Zeit
    70
    Analysefilterdatenbank
    71
    bandbreitenbedämpfter Filter
    72
    Analog/Digital-Wandler
    80
    Achszählelektronik
    B, B2
    Barker Code
    Df
    Störfeld um eine Frequenz f
    d
    Abstand
    Di
    Abweichung
    f
    Frequenz
    fa, fb, fc, fd
    Frequenzverläufe für FSK-Verfahren
    fd1' fd2
    Untere, obere Frequenz eines Störbandes
    f1, f2
    Untere, obere Frequenz für FSK-Verfahren
    i
    laufender Index zur Kennzeichnung einer Stelle des Barker Codes, i = 1, .., m
    m, m2
    Breite des Barker Code in Bit, Anzahl Stellen des Barker Code
    n
    Breite der Information S in Bit
    p
    Pegel
    Ps, Ps,
    Sendepegel, Empfangspegel
    PD
    Pegelunterschied zwischen Ps, Ps
    S
    Information
    SAvg
    mittlere Signalstärke
    SB
    gespreiztes Signal, Nutzsignal
    SB'
    empfangenes Signal in gespreizter Darstellung
    Si
    Empfangenes Signal an der Stelle i
    Trep
    Repetionszeit
    Tab
    Folgezeit zwischen zwei Frequenzverläufen fa und fb
    Liste der verwendeten Akronyme
    DC
    Direct Current, Gleichstrom
    AC
    Alternating Current
    GFM
    Gleisfreimeldesystem
    DSSS
    Direct Sequence Spread Spectrum
    FSK
    Frequency Sweep Keying
    Literaturliste
  • [1] DE 196 47 737 A1, Siemens AG, Achsdetektor
  • [2] SIGNAL+DRAHT (95) 3/2003 p. 20 - 23
  • [3] DE 101 37 519 A1, Siemens AG, Radsensor
  • [4] SIGNAL + DRAHT (95) 4/2003, p. 15 - 17

    • Claims (15)

    1. Verfahren zur Feststellung einer Geleisebelegung durch:
      A1 einen an einer Schiene (3) angebrachten einen Sender (5) und Empfänger (6) enthaltenden Radsensor (9), der eine Magnetfeldänderung infolge eines die Schiene (3) überfahrenden Eisenbahnrades (1) registriert,
      oder
      A2 einen durch zwei Schienen (3) gebildeten einen Sender (5) und Empfänger (6) aufweisenden Gleisstromkreis, der beim Befahren durch ein Eisenbahnfahrzeug kurzgeschlossen wird, wobei der Kurzschluss im Empfänger registrierbar ist;
      gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
      B der Sender (5) wird mit einem in einer Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..) generierten spektral breitbandigen eine Information (S) enthaltendem Signal (SB) beaufschlagt;
      C vom Empfänger (6) registrierte Signale (SB') werden einer Empfangseinheit (60, 6a, 6b, ..) zur Wiedergewinnung der im Verfahrensschritt B ausgesendeten Information (S) zugeführt, wobei Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..)und Empfangseinheit (60; 6a, 6b, ..) gekoppelt sind;
      D auftretende unterschiedliche Pegel des registrierten Signals (SB') werden zur Feststellung der Geleisebelegung herangezogen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Verfahrensschritt B in der Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..) die zu übertragende Information (S) in Direct Sequence spread Spectrum Technik (DSSS) mit einem Code (B) gespreizt wird und auf ein Trägerfrequenzband moduliert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Verfahrensschritt C zur Kopplung von Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..) und Empfangseinheit (60; 6a, 6b, ..) der Sendetakt (54; 20) der Empfangseinheit (60; 6a, 6b, ..) zugeführt wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Verfahrensschritt B die zu übertragende Information (S) mit zwei verschiedenen Codes (B, B2) gespreizt wird und auf disjunkte Trägerfrequenzbänder moduliert werden.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Trägerfrequenzband einen Bereich von 10 kHz bis 30 MHz aufweist.
    6. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Verfahrensschritt B in der Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..) die zu übertragende Information (S) durch Aussendung zweier aufeinanderfolgender Frequenzverläufe (Tab, fa, fb, ..) codiert wird, wobei die beiden Verläufe repetitiv (TRep ) ausgesendet werden.
    7. Verfahren nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      im Verfahrensschritt B in der Sendeeinheit (50; 5a, 5b, ..) die zu übertragende Information (S) durch Aussendung vierer aufeinanderfolgender Frequenzverläufe (Tab, fa, fb, fc, fd) codiert wird, wobei die vier Verläufe repetitiv (TRep ) ausgesendet werden.
    8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      ein Generator (20) für das repetitive Aussenden vorgesehen ist und dass der Generator mit der Sendeeinheit (5a, 5b, ..) und mit der Empfangseinheit (6a, 6b, ..) gekoppelt ist.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Frequenzverlauf (fa, fb,..) über die Zeit linear ansteigend oder linear fallend ist.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Frequenzverlauf (fa, fb,..) über die Zeit logarithmisch ansteigend oder logarithmisch fallend ist.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Frequenzverlauf (fa, fb,..) über die Zeit monoton ansteigend oder monoton fallend ist.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      vor Ausführung des Verfahrensschrittes B ein vom Empfänger erfasstes Störfeld analysiert wird und dass im Verfahrensschritt B der Frequenzverlauf (fa, fb ,..) ausserhalb oder am Rande des Störfeldes festgelegt wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Frequenzverläufe (fa, fb ,..) innerhalb eines Bandes von 10 kHz bis 10 MHz angelegt werden.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Radsensor (9) zur Detektion der Überfahrrichtung zwei Empfangsspulen (9a, 9b) aufweist.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Radsensor (9) zur Detektion der Überfahrrichtung vier Empfangsspulen (9a, 9b, 9c, 9d) aufweist.
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