EP2084048A2 - Verfahren und einrichtung zum auswerten von messdaten in eisenbahngleisstromkreisen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum auswerten von messdaten in eisenbahngleisstromkreisen

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EP2084048A2
EP2084048A2 EP07818881A EP07818881A EP2084048A2 EP 2084048 A2 EP2084048 A2 EP 2084048A2 EP 07818881 A EP07818881 A EP 07818881A EP 07818881 A EP07818881 A EP 07818881A EP 2084048 A2 EP2084048 A2 EP 2084048A2
Authority
EP
European Patent Office
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frequency
track
frequencies
channel
output signal
Prior art date
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EP07818881A
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English (en)
French (fr)
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EP2084048B1 (de
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Peter Ellenberger
Tobias Schluer
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Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Schweiz AG
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Publication date
Application filed by Siemens Schweiz AG filed Critical Siemens Schweiz AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP2084048B1 publication Critical patent/EP2084048B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • B61L1/18—Railway track circuits
    • B61L1/181—Details
    • B61L1/187—Use of alternating current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/08—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for controlling traffic in one direction only
    • B61L23/14—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for controlling traffic in one direction only automatically operated
    • B61L23/16—Track circuits specially adapted for section blocking
    • B61L23/166—Track circuits specially adapted for section blocking using alternating current

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for evaluating measurement data in railway track circuits. Further, the invention relates to a method and apparatus for track vacancy using track circuits.
  • the starting point of this invention is the widely used track circuit with the classical technical approach of the circuit.
  • the functional principle is relatively simple and will be briefly introduced.
  • a rail of the track to be monitored is separated and insulated at two points.
  • the transmitter applies voltage to one end of the isolated section.
  • the receiver at the other end of the section evaluates this voltage.
  • the received signal is thereby suppressed.
  • the evaluation after the receiver reports the section as occupied.
  • Another known embodiment provides for the supply of the GSK (track circuit) by means of a three-phase network. It comes in a driving to a detuning a device of a kind of differential transformer or a kind of electric shaft or motor. At the manufacturer Siemens, such a product is referred to as a motor relay.
  • a motor relay When driving, there is a change in the circle with respect to the following parameters, namely frequency spectrum, phase, power.
  • the mass of the motor rotor acts as an inertia filter with a pick-up delay to suppress short-term interference.
  • this object is achieved by a system and a method for track release of a section of a track section, in which: a) a length of the section is defined by a rail track interrupted at two ends; b) at one end of the rail line an alternating voltage with two alternating frequencies is fed as an input signal; c) an output signal is tapped off at the other end of the rail track; d) the tapped output signal is analyzed for its components in the two frequencies; and e) it is decided in dependence on the analysis by means of limit comparisons which state the track section has.
  • the defined AC voltage fed with a defined pulse duty factor is used, which preferably has no frequency matching with the harmonics to the frequencies of the traction supply used.
  • the selected sampling frequency may be set in response to the required response times for providing the fuse-technical operating conditions.
  • the method can be further improved in one embodiment of the invention in that the very powerful signal processing based on mathematical calculation of processes is used. Processing takes place in real time with a signal-data acquisition grid suitable for the task. The digitized values are specifically fed to the evaluation channels designed for the respective task.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the basic principle of a track circuit
  • Figure 2 shows a received and filtered signal with interval division
  • Figure 3 threshold and a schematic level profile for a track occupancy
  • Figure 4 in a schematic representation of the emergence of maximum interference voltages by rail currents
  • FIG. 6 shows an FFT of the previous and the adapted transmission frequencies
  • FIG. 7 is a schematic representation of the functional blocks of the evaluation device
  • FIG. 8 shows an IIR receive filter
  • Figure 9 shows the effect of coefficient change on the output signal
  • Figure 11 is a schematic representation of the evaluation of the digitized received signal
  • FIG. 12 shows the functional blocks in a third receiving channel
  • FIG. 13 shows a state graph of a general free-field system
  • FIG. 14 shows a sinusoidal interference signal
  • FIG. 15 noise as interference signal
  • FIG. 16 shows a Gaussian pulse as a short-term interference
  • FIG. 17 shows the simulation of a free undisturbed section
  • FIG. 18 shows the course of the coefficients at the selected observation times (sampling times).
  • Figure 19 shows the time course of the coefficients in a regular occupancy
  • Figure 20 shows the influence of an adjacent track circuit in a Isolierstossminus
  • FIG. 21 the influence of a sinusoidal disturbance
  • FIG. 22 shows the influence of a further sinusoidal disturbance
  • FIG. 23 shows the influence of a further sinusoidal disturbance.
  • the system consists of two parts: the part “outdoor installation”, which establishes the physical connection to the infrastructure, ie the track section, and the part “indoor installation” in the signal box with the associated electronics for signal generation and evaluation of the free resp. Busy condition.
  • the outdoor unit essentially consists of the power transformers with wiring at both ends of the section transforming the transmitted high voltage on the cable to the interlocking into a track voltage of a few volts and equipped with a high-pass filter to protect the electronics of the transmitter and receiver against the high-energy interference effects of the traction currents from the 16.7 Hz or 50 Hz traction networks of the railways.
  • the part "indoor unit” consists of a strictly two-channel version of the power supply, a microcontroller for the monitoring of the functions as well as a DSP for the signal processing as well as the user interfaces A potential separation of the transmitting and receiving line is realized
  • the transmitter and receiver are physically located next to each other for reasons of noise control.
  • the UGSK uses a pause-modulated sinusoidal signal with a selectable fundamental frequency of 137.5 Hz, 175 Hz or 225 Hz.
  • the system must always be set so that the transmitter never uses the same frequency as that of the neighboring section.
  • the level of the transmitter is adjustable and can be adapted to the external conditions.
  • the ratio between transmission phase and transmission pause is 3: 2 with a period of 200 ms.
  • the receiver has a 99th order digital FIR filter at the input.
  • Figure 2 shows the timing of the transmission signal and the received signal after the filter in the undisturbed state.
  • the burst intervals 2 and 3 are used to detect an occupancy.
  • the gap interval 5 allows the detection of disturbances due to currents in the rail.
  • the two ramp intervals 1 and 4 are in the Evaluation not taken into account, since their information content is not usable.
  • the total division of intervals 1 to 5 is compared to the cycle of the transmitter due to the lead times in the track circuit shifted by 11 ms. The shift better places the gap interval over the signal pause.
  • FIG. 3 schematically shows the threshold values which serve to evaluate the calculated level P.
  • this interval is considered free. If a certain number of burst intervals are detected as free, the track section is considered free. If the level of some intervals falls below a lower limit, the section is occupied.
  • the evaluation of the gap intervals is used for fault detection. If an inadmissibly high level is detected within a gap, the interval is considered disturbed.
  • the use of a pause modulated signal has indisputable advantages in detecting interference, especially in the case of perturbations in the passband of the filter. Nevertheless, the selectivity of the filter must be compromised because the on / off-swing phases can not be used for evaluation.
  • a busy message must be delivered according to Table 1 after 300 ms. This requirement limits the order of the filter and thus the Störimmuntician.
  • Another method also consists of the two main functions sender and receiver.
  • u f (t)
  • two or more frequencies are advantageously transmitted alternately or simultaneously from sinusoidal sources. Other functions are conceivable.
  • the receiver side the signal influenced by the transmission characteristics of the track section and the respective voyage is received.
  • the received signal is now fed to an A / D converter, which converts the input signal into digital values at a relatively high sampling rate.
  • the result is fed in the form of discrete amplitude values from the monitored frequency range to the available evaluation units, which are then able to evaluate the temporal course of the amplitude and / or frequency according to their predefined criteria specific decision such as for occupancy.
  • Static disturbances include all extraordinary operating cases that are related to faults in the infrastructure (track system and safety device) and are not necessarily triggered by a vehicle.
  • the disturbances can occur suddenly, but remain for a long time. They usually require an intervention of the staff.
  • the dynamic disturbances result from the energy consumption and acceptance of the vehicles with the accompanying electrical and electromagnetic influences in the regular railway operation.
  • the ballast disorder For the operation of the track circuit is considered as a critical fault, the ballast disorder. It is detected when the receive level is between the occupancy threshold and the idle state. The system can no longer determine with certainty whether the section is free or busy. The reason for this may be that the modulus of conduction has risen impermissibly, so that the level without vehicle in the track is too much damped. On the other hand, the axle shunt resistance caused by rust-applied wheel treads or rail running surfaces can be so great that the axle shunt and thus the level are not sufficiently small despite their occupancy.
  • Another critical disorder is the override. It occurs when the transmitter level is set too high. The receiver can in this case also make no certain statement about the occupancy state of the track, since the level does not fall below the threshold for poor occupancy. This error can also be corrected only by user intervention on the transmitter.
  • An isolating shock bypass means that two adjacent track sections are no longer separated.
  • the track circuit will detect the transmitter of the neighboring section in the unused frequency band and thus detect the fault. This disruption requires intervention of the staff in the infrastructure. These disturbances can be detected solely by evaluating the burst intervals by means of threshold values. The consideration of the gap interval is not necessary.
  • the dynamic disturbance critical to a track circuit is traction current disturbance.
  • the traction current flows via the overhead line, through the vehicle and then back to the feed. Part of the stream flows back over the rail, another part through the earth cable to the catenary masts and a small part through the soil.
  • the return current can also flow back through the neighboring tracks and cause disturbances there without the neighboring track being traveled.
  • a railway system thus acts as a multi-conductor system for the return flow.
  • the entire traction current should only flow back through the rail, as the existence of a ground wire and a consistent grounding is not guaranteed.
  • the voltage at the receiver results in:
  • the disturbance is primarily a function of the disturbance current amplitude Tr and the section length 1.
  • the interference voltage is divided according to the impedances on transmitter and receiver.
  • the resistance and inductance coating from the equivalent circuit diagram in Figure 4 must be halved since these values apply to both rails together.
  • the interference is difficult to detect.
  • the disturbance can consequently occur in a broad frequency band and thus also in the passband of the filter in the track circuit.
  • the disturbance in the passband of the filter is a real threat to the integrity of the occupancy statement.
  • the transmission signal can be canceled and a wrong assignment can be generated.
  • the level can be so large despite actual occupancy at the receiver, that a false free message arises. Consequently, the receiver can not make a reliable statement about the occupancy state under this disturbance.
  • the fault can only be detected by evaluating additional information. In the solution explained above, the level of the gap interval was evaluated for this purpose. A fault is detected if the level exceeds a threshold (install disturbance current limits).
  • a threshold install disturbance current limits
  • the aim of the object / invention is therefore to achieve increased immunity to traction influences. This improves availability and reduces the likelihood of safety-critical interventions, or it can increase the allowable intercept length while maintaining consistent availability and security.
  • the characteristic of the receiver is a central point for the improvement of the interference immunity.
  • the transmission signal contains no information in the sense of communications engineering.
  • the receiver need not be able to decode and transmit information from a broadcast channel. Rather, in the received signal a fault must be reliably detected and reasonably evaluated.
  • the evaluation criteria are based on the required minimum security and on a high availability of the system.
  • the amplitude of the transmission signal is largely fixed. It has to be big enough to ensure reliable detection in poor bedding. The other limit is given up, so as not to overload the recipient with good bedding and thus small losses. However, a modulation of amplitude and frequency is conceivable.
  • time limits are imposed on the track circuits with regard to recognition of the occupancy state. The evaluation must reliably recognize the change of an occupancy status from the time of admission within the specified time limit. The operator defines this time, which may pass from the occurrence of the event to the message to the signal box. The detection must therefore be such that the output units, such as e.g. the safety relays can be controlled reliably and read out again. The specified 50 ms are sufficient for experience.
  • the occupancy of a track section by a short circuit with a metallic construction part between the two rails has the consequence that the information about an occupancy only in the ampere Litude of the received signal is included.
  • the assessment of the occupancy state is only effective by comparing the signal size at the receiver with fixed threshold values.
  • the threshold p max is the highest threshold.
  • the condition Pl> P2 defines the forbidden intermediate range between the free message FM and the busy message BM.
  • the track circuit electronics include the circuit
  • a signal transmitter which feeds a transmission signal (frequency and amplitude) suitable for the network of the track and the traction influences at one end of the section via the launching network, and the
  • Output unit for the output of the FREI, BELEGT or ERROR message to the signal box, by means of safety relays for easy read back of the output status.
  • the transmitter The transmitter
  • the transmission signal and the selective evaluation methods are matched to one another.
  • the method consists in the generation of a quasi-continuous transmission signal, which nevertheless allows a reliable detection of interference, it is described below.
  • the transmitter uses, in contrast to the previous methods, two frequencies, which are alternately output in a symmetrical grid. These two frequencies are determined from usually three or more frequencies determined by the infrastructure manager.
  • the transmission signal is parameterized as follows.
  • the transmission duration for the two frequencies is set to 170 ms by way of example.
  • the transmission frequencies are adjusted accordingly with regard to the signal evaluation method, that is, they may be slightly shifted to the specifications of the railway operators.
  • the three predefined frequencies (two are used in a section) are shifted into the discrete grid of the Fourier transformation.
  • FIG. 6 clarifies the advantages of the adapted definition.
  • the transmitted from the section taken by the respective occupancy state and by the traction current transmitted signal is fed to an A / D converter.
  • the conversion works fast and over-sampling at a rate of about 10: 1 according to the characteristics of the input signal.
  • the method used combines the approaches of various methods to produce a quasi-continuous transmission signal, which nevertheless allows a reliable detection of interference.
  • the transmitter uses two frequencies, which are used alternately.
  • the currently transmitted and received signal in each case one of the two frequencies associated with the system is able to represent the current occupancy state or its time history. On the currently not sent frequency it is possible to evaluate the incident disturbances. Furthermore, the failure of track isolations between the sections may result in non-GSK frequencies of the adjacent circuits being detected.
  • the difference between the methods used to date is that filters are not switched on and off, but only just accessed and used in a parameterized set to the current transmission frequency in a timed interval in the evaluation algorithm.
  • the received signal is generally discretized by means of an A / D converter and the current signal course in one Time window analyzed by means of an FFT.
  • the duration of the window is matched to the frequency spectrum that is important for occupancy detection.
  • two methods are used, the continuous method of evaluation and the discontinuous. If a short decision time is required for the reliable detection of a state such as that of the section occupancy, the continuous evaluation is applied.
  • the discontinuous evaluation is advantageous.
  • the discontinuous method allows evaluation of the frequency spectrum in any number n of resolution steps from the continuous process.
  • An advantageous definition is the analysis of the waveform of a time window with a defined time position for the transmission frequency switching.
  • a 256-point FFT window advances step by step with each arrival of a digital input signal value, adds the currently-converted instantaneous peak value, and eliminates the oldest value (FILO). After each forward step, an FFT is performed. With respect to the currently evaluated window, the two frequency components occur in variable proportions, the sum of the two components being constant. As a result, the periodic change of the transmission frequency without any effect on the processing, the continuity is maintained.
  • the FFT window of the continuous evaluation is also used unchanged for the discontinuous evaluation as a data source. However, data is not taken in each step, but after N steps or at a defined time relative to the transmission interval for the two different frequencies. This evaluation over time allows the detailed detection of all events that have no synchronicity with the system timing and temporally incurred in relation to the system timing only short-term (transient).
  • Evaluation Algorithm 1 Section occupancy (continuous) The amplitude value of the currently transmitted frequency is taken continuously from the frequency components calculated by FFT from each generated FFT window and evaluated according to the allocation information. The two alternately transmitted frequencies have no influence on the evaluation method.
  • the time profile of the amplitude of the transmission signal is determined by means of an amplitude evaluation for the recognition of the states 1 and 2 listed in Table 1, the occupancy and the free message), taking into account the time criteria defined in Table 2 (see also FIG. 19).
  • Algorithm 1 allows an assessment of the disturbing effects of this frequency at the current time. Since such disruptive effects due to traction are usually significantly greater than the pause time of the sampling raster in terms of time, there is also a requirement for the evaluation of the influence of the transmission signal.
  • the penetration of working frequencies from neighboring zones can also be detected as an error when an isolating shock bypass occurs.
  • the disclosure of such an error is not time critical and can be reported further.
  • the shift of the amplitude response of a digital filter can be done in two ways. For one thing, the characteristic of constant sampling frequency can be adjusted by changing the filter coefficients during operation. On the other hand, the sampling frequency can be changed without modifying the coefficients.
  • the quasi-continuous transmission signal enables the same selective filters as are possible with only one transmission frequency.
  • the immunity against interference by the reduction of the bandwidth is therefore maximum.
  • the detection of disturbances is permanently possible. Neither for occupancy detection nor for fault detection therefore worst-case cases must be assumed for the occupancy time.
  • the safety in the detection of a noise voltage is comparable or better than the described UGSK system. Simulations show that the use of two filters is not without problems. All switching operations during operation lead to reactions in the output signal of the filter. In addition, the complexity in the field of A / D conversion is increased, since at worst two separate transducers must be used for one signal. Function block A / D conversion
  • the transducer system can be designed as follows.
  • the oversampling frequency is 12.8 kHz and the useful sampling frequency is 1600 Hz.
  • the necessary oversampling frequencies can be obtained from the high system clock of the DSP.
  • the purpose of the filter 1 is to isolate the transmission signal as well as possible, so that only its amplitude is evaluated.
  • Such a filter has been designed for a continuous transmission signal.
  • This filter can be adopted in this method, since the time requirements are identical when using the quasi-continuous transmission signal.
  • the filter has to be adapted to the transmission frequency in each interval. The filter.
  • the receive filter can alternatively be designed as a feedback system.
  • the filter order is much smaller than in a FIR system.
  • the filter order has little effect on the delay of the filter. This is mainly determined by the required width of the transition area.
  • the blocking attenuation is determined analogously with - 4OdB.
  • the desired smooth amplitude response in the pass band is achieved by the design as Chebyshev II filter. The result of the design is shown for each transmit frequency in FIG.
  • the IIR filters have a -6dB bandwidth of 12 Hz. Two approaches are conceivable for this.
  • the amplitude response of the filter is shifted by replacing the coefficients in operation on the frequency axis.
  • This technique is known by adaptive filters.
  • an algorithm is designed which changes the coefficients of a filter online to realize a desired behavior.
  • Such Systems are used, for example, for system identification or echo cancellation.
  • the input signal was switched from 208.1 Hz to 224.2 Hz and the filter was loaded with the corresponding coefficients.
  • the filter shows a transient behavior after the transition, which renders the evaluation of the amplitude useless.
  • adaptive solutions always require a costly safety case if security requirements are met.
  • the adaptation to the signal frequency is already carried out in the function block A / D conversion.
  • the sampling rate must be raised or lowered accordingly.
  • the filter which, like any digital system, is referenced to the sampling frequency will not detect a change in frequency in the corresponding sampled input signal and will consequently produce an output signal as in the continuous transmit signal method.
  • the designed filters can be taken over.
  • the purpose of the filter 2 is to isolate interferences in the range of the transmission frequencies and make them assessable.
  • the filter is always set to the currently unused transmit frequency. Since the transmission frequency changes periodically, interference on both frequencies used can be detected. The information obtained corresponds to that of the gap interval in the previous system UGSK.
  • the problem with switching filter 2 is that the direction of the shift on the frequency axis is exactly the opposite of that of filter 1. This relationship is shown in FIG. When switching to the higher sampling frequency, both filters are shifted in the direction of higher frequencies. However, the filter 2 should be tuned to the lower frequency.
  • a first approach is to use a different sampling rate for both frequencies. However, it follows that at least the entire digital part of the A / D conversion must be dual-channel.
  • simplifications can be assumed. For example, it is not absolutely necessary for the noise level to be continuously monitored. It is sufficient if an impermissible interference voltage can be detected at the end of an interval. The filter 2 can thus be reset every time it is switched. The system is then allowed to settle and the amplitude is evaluated. This approach requires a new determination of the length of the transmission phase with a frequency.
  • the filter 1 For the filter 1, the length of the transmission intervals until switching does not matter because the change is compensated by the sampling. If the same order as for filter 1 is appropriately set for filter 2, a settling time of about 170 ms results. For the subsequent evaluation again two intervals of 40 ms each can be assumed. Each frequency can therefore be examined for a fault within 250 ms. The requirement that a fault message can be issued after approx. 500 ms is almost fulfilled.
  • the evaluation of the amplitude can be performed as follows. To detect the occupancy state of a section, an evaluation of the amplitude of the filtered signal is sufficient. The summation of the magnitude of the signal over a given interval is easy to implement. The length of the viewing interval must correspond to at least the period of the transmission signal, but should include several vibrations for safety reasons. The interval length of the existing system of 40ms is adopted. An appendix However, adaptation is conceivable on the basis of new findings or measurement results. The result of the summation is shown in FIG. Each shift of the window gives a new point. It can be seen that the points are subject to a slight vibration. The narrower the viewing window is chosen, the more pronounced the vibration. For this reason, the window must not be too small. From 32 samples the results are satisfactory.
  • Method III pursues an approach which promises the theoretically maximum immunity and can nevertheless detect disturbances as reliably as the previous system by evaluating a gap interval. Instead of the transmission pause of the existing system is transmitted in this method on another frequency and tracked a filter in the receiver of the transmission frequency. Another filter is tuned to the unused frequency and allows the evaluation of interference signals. From the various approaches presented and discussed above, the use of a variable sampling rate and a non-continuous filter 2 promises the greatest success. It avoids the need for a second A / D converter and avoids the problems of online tracking of the coefficients of filter 1.
  • the transmission duration of a frequency is set to 250 ms.
  • Table 4 Process parameters The spectrum analysis method uses, in contrast to all other methods presented, additional information in the frequency domain of the received signal.
  • the signal processors and fast transformation algorithms available today make a fundamental analysis of the received signals seem sensible.
  • the receiver of this method has a simple structure consisting of three functional blocks (FIG. 12).
  • a discrete transformation is applied to the received digitized signal.
  • the calculated coefficients contain all the necessary information to be able to evaluate the occupancy status and fault of the section. For example, short-time discrete Fourier transformation and wavelet transformation are used as transformations.
  • the definition of the parameters of the STFT has an effect on the transmission signal to be selected. This mechanism is described below.
  • the output of the function block Transformation provides, independent of the selected transformation, a set of coefficients representing the original signal.
  • the amplitude in the time domain is not averaged and evaluated, but the calculated coefficients are compared with threshold values.
  • the coefficients 34, 37 and 40 represent exactly the proportions of the transmission frequencies. More information is usually not necessary for the transition decision.
  • the coefficients must be evaluated permanently. The detection of an isolator surge requires this continuous information as well because the adjacent track circuits are not synchronized.
  • the time te are chosen so that the FFT window is completely within a transmitter interval and consequently only one coefficient contains the information about the transmission signal.
  • a further advantage is that the temporal transition region occurring during run-time effects when switching between the channels can be avoided.
  • the interval is used, which begins 10 ms after the switching of the transmission frequency.
  • Figures 17, 19 and 20 illustrate the timing of the evaluation in the undisturbed state.
  • the marked coefficients represent the values at the fixed times.
  • the FFT coefficients serve to trigger one of the transitions shown in FIG. They are calculated on an ongoing basis, but in most cases are only taken into account at specific points for the evaluation. The exceptions are the transition Tl and T3 in the Isolierstoss bridging.
  • the respective active frequency is hereinafter referred to as channel A with the associated coefficient Ca.
  • the frequency not currently being transmitted is channel B with the coefficient Cb.
  • the frequencies of channel A and B are thus interchanged with each interval.
  • the coefficients correspond to the reception level in the remaining methods and are also compared with threshold values.
  • the time condition is maintained at all times.
  • the occupancy should not be reported immediately after the detection, but should be monitored for the remaining 100 ms to reduce the influence of short-term disturbances.
  • the request to the transition is not very restrictive because S2 is the safe state. In the event of a malfunction, it may become a short-term zen occupancy come. In the next fixed interval, however, the fault is detected reliably. This procedure is allowed.
  • the transition T2 becomes active when the GSK is in state S2 and applies in two consecutive fixed intervals:
  • T2 is therefore more restrictive than T5. It is ensured that at neither of the two frequencies used a disturbance can lead to an incorrect FM without it being detected.
  • Transition T3 becomes active when the GSK is in state S1 and one of the following occurs: Override is detected when
  • the level is too high on both frequencies. If the level is too high on only one frequency, it is a constructive interference with an interference voltage. The section can remain free, as occupancy detection via the undisturbed frequency is still possible.
  • a ballast disturbance is recognized when the coefficient of channel A is at two consecutive intervals:
  • the neighboring GSKs are not synchronized, it must be ensured that the level is sufficiently high even in the event of an unfavorable shift between the intervals of the two GSKs. This is ensured by the continuous evaluation of the unused channel.
  • the Transition T4 describes the release of the GSK from the disorder into a regular occupancy. For this transition more than 250 ms of the transition Tl are available. To trigger T4, must be in two consecutive intervals
  • T5 The transition T5 is triggered when the GSK is in state S2 and the same conditions as at T3 are fulfilled.
  • Such punctual measurements can be used to analyze basic properties of the expected disturbances.
  • a representative overview of all possible sturgeon scenarios by all traction vehicles, trains and special operating cases is not possible with reasonable effort.
  • the measurements made so far considered only parts of the expected disturbances.
  • the following characteristics of the disturbances can be derived from the available measurement results:
  • the traction return currents of converter vehicles contain a high harmonic content at low speeds. However, the amplitudes clearly fall below the limits. In measurements below 15 kV / 16.7 Hz, there are no significant harmonics above 200 Hz. With regard to the 25 kV / 50 Hz network there are currently no measurements available.
  • the traction return currents of converter vehicles contain at high speeds a comparable harmonic content as at low speeds. The amplitude of the fundamental wave is correspondingly larger due to the converted active power. In this case, the shares above 200 Hz are also negligible.
  • the length of passenger trains can not be excessively increased due to the limited infrastructure.
  • the power consumption via the Switzerlandsammeischiene and the associated interference will increase due to the growing comfort and service demands of customers with certainty.
  • Another trend is flexible, fast trainsets with a distributed drive concept, the performance of which can significantly exceed that of a single traction unit.
  • lacking vehicles also lacks meaningful measurements.
  • the disturbances in the real operating environment will increase in intensity in the future, they will not significantly change their basic characteristics.
  • test signals described in this section are chosen so that all theoretically possible faults are covered.
  • a sinusoidal signal having a single frequency is added to the transmission signal. All parameters of the signal are variable.
  • the frequency should be in the passband of the filter.
  • the amplitude is chosen in the examples so that an extinction of the transmission signal is possible.
  • the calculation of the interference voltage from the maximum permissible rail current for long sections shows that the interference voltage can assume the same amplitude as the transmission signal.
  • a traction current with the fundamental frequency of 16.7 Hz and the first 15 harmonics simulate the effects of a moving train.
  • the specified transmission frequencies are next to the harmonics, but a too wide receive filter can include them.
  • the noise can be described in the passband like a sinusoidal signal of a frequency because the filters of Method I and III are sufficiently narrow.
  • This signal is used to investigate how long a disturbance must at least act to produce an incorrect FM or BM.
  • the results can be used to improve the strategy for troubleshooting in detailed planning. It is conceivable, for example, that a too short, reported occupancy is subsequently treated as a disorder.
  • Figure 17 shows the basic operation of this method.
  • the upper graph shows the sampled receive signal during 400 samples. At the marked times, the switching between the frequencies fl and f2 takes place.
  • the 256 samples within the marked FFT window serve as input to the transformation. They are shown in the following illustrations.
  • the lower graph shows the associated time profile of the three selected coefficients of the FFT. Since the transmission period on a channel is longer than the FFT window, there are selected times at which only one frequency of the transmitter occurs in the transformation result. These times are marked.
  • Figure 18 shows the coefficients at the excellent times over a longer time.
  • the coefficient In the undisturbed state, the coefficient reaches approximately the normal value, while cb disappears. If this situation persists for at least two intervals, the section is certainly considered free.
  • the system recognizes an occupancy by means of the continuously calculated coefficients. A sufficiently good occupancy produces the course of the coefficients shown in FIG. From the 960th sample the section is occupied. During the next 160 ms, the coefficients are smaller and then the occupancy is detected, since both cl and c2 have fallen below P2. This situation can be monitored for another 100 ms before the occupancy is reported.
  • These operating cases show that the evaluation can fulfill the basic function.
  • the oversteer and ballast disturbance are detected with the same information and other thresholds.
  • the IsolierstossGermanbrückung as remaining static interference requires separate consideration.
  • the neighboring UGSK must be set so that they always differ in a transmission frequency.
  • the simulated GSK uses frequencies 11 and 12, and the neighbor uses frequencies 12 and 13.
  • the receiver After 400 samples, there is a shock bypass and the receiver also receives the signal from the neighboring GSK.
  • the ratio of the Amplitudes from the parameters of the infrastructure Their change is not taken into account in this example.
  • the phase and switching times of the frequency are also random because the timing sources of the GSK are not synchronized.
  • an advantageous embodiment of the method according to the invention evaluates the coefficients of a fast Fourier transformation of the received signal. It offers the following advantages:
  • the effective noise bandwidth of 12.5 Hz is comparable to that of Method I, which is a factor of 2 better than the existing system.
  • the changing transmission frequency creates artificial transmission pauses. They allow a comparable fault detection as the well-known in the art track circuit UGSK 95 Siemens Siemens AG.
  • the FFT is well studied and can be implemented digitally.
  • the safety case can be provided closed.
  • the FFT requires slightly more computing power than the three method I-FIR filters.
  • the time limits for fault detection can only be kept to a minimum in the worst case scenario. However, these limits are not absolute limits, but are rather indicative. Operating parameters of the method are:

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Abstract

Es werden eine Einrichtung und ein Verfahren für den Betrieb von Gleisstromkreisen offenbart, welche eine zugeordnete Abschnittslänge aufweisen, die durch eine Gleisisolierung beidseitig begrenzt ist. Für die sichere Erkennung der Zustände FREI, BELEGT und GESTÖRT in einer vorgegebenen Zeitlimite wird wie folgt verfahren. An einem der beiden Abschnittsenden wird ein Sendesignal in den Schienenkörper eingespeist. Auf der gegenüber liegenden Seite wird das Empfangssignal ausgekoppelt und einer Analyse zugeführt. Das eingespeiste Sendesignal ist sinusförmig. Die Frequenz wird zyklisch zwischen zwei diskreten Werten umgeschaltet. Auf der Empfangsseite werden drei Auswertekanäle betrieben. Die Information wird für alle drei Kanäle A/D konvertiert. Zwei Kanäle verfügen über ein Bandpass-Eingangsf ilter, das für den Kanal (1) der aktuell gesendeten Frequenz, für den anderen Kanal (2) der nicht gesendeten Frequenz auf Durchlass angepasst wird. Mit dem Kanal (1) wird der Belegungszustand detektiert. Mit dem Kanal (2) wird die aktuell auftretende Störbeeinflussung gemessen. Kanal (3) sampelt im jeweiligen Sendeintervall und wertet die berechneten FFT Ergebnisse aus. Aus dieser Information werden weitere Daten gewonnen. Zu nehmen sind dabei die Isolierstoss-Überbrückung, Störeinflüsse und weitere prozessrelevante Grossen.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Auswerten von Messdaten in Eisenbahngleisetromkreisen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Auswerten von Messdaten in Eisenbahngleisstromkreisen. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Gleisfreimeldung unter der Verwendung von Gleisstromkreisen .
Für die Betriebsführung von Eisenbahnen ist die Information über die Belegung eines Gleisabschnitts durch ein Fahrzeug unbedingt erforderlich. Sie spielt beim Stellen und Auflösen von Fahrstrassen eine wichtige Rolle. Für die Erkennung einer Belegung existieren zahlreiche verschiedene Techniken. Ausgangslage dieser Erfindung ist der weit verbreitete Gleisstromkreis mit dem klassischen technischen Ansatz des Stromkreises. Das Funktionsprinzip ist relativ einfach und wird kurz vorgestellt. Eine Schiene des zu überwachenden Gleises wird an zwei Stellen aufgetrennt und isoliert. Der Sender legt an einem Ende des isolierten Abschnitts eine Spannung an. Der Empfänger am anderen Abschnittsende wertet diese Spannung aus. Wenn ein Zug in den Abschnitt einfährt, schliessen seine Achsen die zwei gegeneinander isolierten Schienen des Gleises kurz und legen das Gleis an die Bahnerde. Das Empfangssignal wird dadurch unterdrückt. Die Auswertung nach dem Empfänger meldet den Abschnitt als belegt.
Auf diesem Grundprinzip aufbauend existiert eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen Produkten. Sie unterscheiden sich wesentlich in Bezug auf das gewählte Sendesignal und die Auswertung im Empfangsteil. Es gibt jedoch auch so genannte stossfreie Gleisstromkreise. Diese haben jedoch eine gewisse Überlappung an den Grenzen zwischen zwei benachbarten Kreisen. Dadurch sind trennscharfe Belegungen, so zum Beispiel im Bereich von Weichen und Kreuzungen nicht möglich.
Ein im Stand der Technik bekannte Ausführungsform ist der klassische DC-Gleisstromkreis . Dieses Prinzip betreibt einen DC- Stromkreis am Gleisabschnitt und darin liegen seriell die zwei Schienen mit der variablen Grosse des Bettungswiderstandes. Der Achsnebenschluss bei einer Befahrung reduziert den Widerstand im Kreis. Das Prinzip arbeitet wie in der Figur 1 dargestellt. Die einfachste Lösung ist die Verwendung eines Relais als Empfänger seriell im Stromkreis für die Detektion der Belegung des Abschnittes.
Eine weitere bekannte Ausführungsform sieht die Speisung des GSK (Gleisstromkreises) mittels eines Drehstromnetzes vor. Dabei kommt es bei einer Befahrung zu einer Verstimmung einer Einrichtung einer Art von Differenzial-Transformator oder auch eine Art elektrischer Welle respektive Motor. Beim Hersteller Siemens wird ein solches Produkt als Motorrelais bezeichnet. Bei einer Befahrung kommt es zu einer Veränderung des Kreises bezüglich der folgenden Parameter, nämlich Frequenzspektrum, Phase, Leistung. Dabei wirkt die Masse des Motors-Rotors als ein Trägheitsfilter mit Anzugsverzögerung zum Unterdrücken von kurzzeitigen Störeinwirkungen.
Das Prinzip eines GSK betrieben mit einer Spannung über 100V AC (meist 230V) mit 50 Hz oder 60 Hz, im kontinuierlichen Betrieb o- der im Pulsbetrieb. Die vergleichsweise hohe Spannung wird für das Aufbrechen der Isolationsschichten wie z.B. Rost auf den Schienen- rollflachen eingesetzt. Durch die hohen Leistungen werden die erforderlichen Störabstände geschaffen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik bleibt es daher dennoch wünschenswert, die Zuverlässigkeit von Gleisstromkreisen und ihre Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen weiter verbessern zu können.
Im Zuge der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein System und ein Verfahren zur Gleisfreimeldung eines Abschnitts einer Gleisstrecke gelöst, bei denen: a) eine Länge des Abschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird; b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit zwei alternierenden Frequenzen als Eingangssignal eingespeist wird; c) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird; d) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in den beiden Frequenzen analysiert wird; und e) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.
Auf diese Weise wird zur Feststellung einer Gleisbelegung die mit einem definierten Tastverhältnis eingespeiste definierte Wechselspannung herangezogen, welche vorzugsweise frequenzmässig keine Ü- bereinstimmung mit den Harmonischen zu den eingesetzten Frequenzen der Traktionsversorgung aufweist. Die gewählte Tastfrequenz kann in Antwort auf die erforderlichen Antwortzeiten für die Bereitstellung der sicherungstechnischen Betriebszustände festgelegt werden.
Das Verfahren kann weiter in einer Ausgestaltung der Erfindung dahingehend ertüchtigt werden, dass die sehr leistungsfähige Signalverarbeitung auf der Basis von mathematischer Berechnung von Prozessen genutzt wird. Die Verarbeitung erfolgt in Echtzeit mit einem für die Aufgabenstellung geeigneten Signal-Daten- Akquisitionsraster . Die digitalisierten Werte werden spezifisch den für die jeweilige Aufgabenstellung ausgebildeten Auswertekanälen zugeleitet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung das Grundprinzip eines Gleisstromkreises;
Figur 2 ein empfangenes sowie gefiltertes Signal mit Intervalleinteilung;
Figur 3 Schwellenwert und einen schematischen Pegelverlauf für eine Gleisbelegung; Figur 4 in prinzipieller Darstellung die Entstehung maximaler Störspannungen durch Schienenströme;
Figur 5 Sendefrequenzen für den Gleisstromkreis und Harmonische der Traktionsströme für eine Frequenz von 16 2/3 Hz;
Figur 6 eine FFT der bisherigen und der angepassten Sendefrequenzen;
Figur 7 in schematischer Darstellung die Funktionsblöcke der Auswerteeinrichtung;
Figur 8 ein IIR-Empfangsfilter;
Figur 9 die Auswirkung durch Koeffizientänderung auf das Ausgangssignal;
Figur 10 Filtercharakteristik bei 1600 Hz (links) und 1724 Hz (rechts) ;
Figur 11 eine schematische Darstellung der Auswertung des digitalisierten Empfangssignals;
Figur 12 die Funktionsblöcke in einem dritten Empfangskanal;
Figur 13 einen Zustandsgraphen eines allgemeinen Freimeldesystems;
Figur 14 ein sinusförmiges Störsignal;
Figur 15 Rauschen als Störsignal;
Figur 16 ein Gauss' scher Puls als kurzzeitige Störeinwirkung;
Figur 17 die Simulation eines freien ungestörten Abschnitts;
Figur 18 den Verlauf der Koeffizienten zu den ausgewählten Beobachtungszeitpunkten (Abtastzeitpunkten) ;
Figur 19 den zeitlichen Verlauf der Koeffizienten bei einer regulären Belegung;
Figur 20 den Einfluss eines benachbarten Gleisstromkreises bei einem Isolierstossfehler;
Figur 21 den Einfluss einer sinusförmigen Störung;
Figur 22 den Einfluss einer weiteren sinusförmigen Störung; und
Figur 23 den Einfluss einer weiteren sinusförmigen Störung.
Es wird nachfolgend der Universelle Gleisstromkreis (UGSK) von Siemens Schweiz AG beschrieben. Das System besteht aus zwei Teilen: dem Teil „Aussenanlage", welche die physikalische Anbindung an die Infrastruktur, das heisst den Gleisabschnitt herstellt, und dem Teil „Innenanlage" im Stellwerk mit der zugehörigen Elektronik für die Signalgenerierung und Auswertung des Frei- resp. Belegt- Zustandes .
Der Teil „Aussenanlage" besteht im Wesentlichen aus den Gleistrafos mit Beschaltung an beiden Abschnittsenden. Sie transformieren die gesendete hohe Spannung auf dem Kabel zum Stellwerk in eine für Gleisanlagen zulässige Kleinspannung von wenigen Volt. Sie sind zusätzlich mit einem Hochpassfilter ausgerüstet. Diese schützen die Elektronik des Senders und Empfängers vor den energiereichen Störeinwirkungen der Traktionsströme aus den 16,7 Hz resp. 50 Hz Traktionsnetzen der Bahnen.
Der Teil „Innenanlage" besteht aus einer streng zweikanaligen Ausführung der Spannungsversorgung, einem Mikrocontroller für die Ü- berwachung der Funktionen sowie eines DSP für die Signalverarbeitung wie auch den Benutzerschnittstellen. Eine Potentialtrennung der Sende- und Empfangsleitung ist realisiert. Sicherheitsrelais werden für die Zustandsausgabe eingesetzt. Sender und Empfänger befinden sich räumlich aus störbeeinflussungstechnischen Gründen unmittelbar nebeneinander.
Der UGSK verwendet ein pausenmoduliertes Sinussignal mit einer auswählbaren Grundfreguenz von 137,5 Hz, 175 Hz oder 225 Hz. Das System muss immer so eingestellt werden, dass der Sender nie die gleiche Frequenz verwendet wie derjenige des Nachbarabschnitts. Der Pegel des Senders ist einstellbar und lässt sich so an die äusseren Gegebenheiten anpassen. Das Verhältnis zwischen Sendephase und Sendepause beträgt 3:2 bei einer Periodendauer von 200 ms.
Der Empfänger besitzt am Eingang ein digitales FIR-Filter 99ster Ordnung. Abbildung 2 zeigt die zeitlichen Verläufe von Sendesignal und Empfangssignal nach dem Filter im ungestörten Zustand. Für die Bestimmung des Belegungszustandes wird der Senderzyklus in fünf Intervallen mit jeweils T = 40 ms Dauer unterteilt. Die Burst- Intervalle 2 und 3 dienen der Erkennung einer Belegung. Das Gapintervall 5 ermöglicht die Erkennung von Störungen durch Ströme in der Schiene. Die beiden Rampenintervalle 1 und 4 werden in der Auswertung nicht berücksichtigt, da deren Informationsgehalt nicht nutzbar ist.
Die gesamte Einteilung der Intervalle 1 bis 5 ist gegenüber dem Zyklus des Senders bedingt durch die Durchlaufzeiten im Gleisstromkreis um 11 ms verschoben. Durch die Verschiebung wird das Gap-Intervall besser über der Signalpause platziert.
Zur Auswertung des Streckenzustandes wird der Betrag des Empfangssignals über ein Intervall integriert. Formel 1
Die Figur 3 zeigt schematisch die Schwellenwerte, welche zur Bewertung des berechneten Pegels P dienen. Erreicht der Pegel eines Burst-Intervalls einen Schwellenwert, so gilt dieses Intervall als frei. Wird eine bestimmte Anzahl der Burst-Intervalle als frei erkannt, so gilt der Gleisabschnitt als frei. Wenn der Pegel einiger Intervalle einen niedrigeren Grenzwert unterschreitet, ist der Abschnitt belegt.
Die Auswertung der Gap-Intervalle dient der Störungserkennung. Wird innerhalb eines Gap-Intervalls ein unzulässig hoher Pegel festgestellt, gilt das Intervall als gestört. Die Verwendung eines pausenmodulierten Signals hat unbestreitbare Vorzüge bei der Erkennung von Störungen, insbesondere bei Störungen im Durchlassbereich des Filters. Dennoch müssen bei der Selektivität des Filters Abstriche gemacht werden, da die Ein / Ausschwingphasen nicht zur Auswertung genutzt werden können.
Eine Belegtmeldung muss laut Tabelle 1 nach 300 ms abgegeben werden. Diese Forderung limitiert die Ordnung des Filters und damit auch die Störimmunität. Um diese Problematik genauer darstellen zu können, werden im folgenden Abschnitt die verschiedenen Störungen beschrieben. Sie ermöglichen so auch eine Sicht auf die Limiten von neuen Verfahren. Ein weiteres Verfahren besteht ebenfalls aus den zwei Hauptfunktionen Sender und Empfänger. Der Sender sendet ebenfalls ein Signal in den Gleisabschnitt, u = f (t). Es werden dabei jedoch abwechslungsweise oder auch gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzen vorteilhaft aus Sinusquellen gesendet. Andere Funktionen sind denkbar. Auf der Empfängerseite wird das durch die Übertragungseigenschaften des Gleisabschnittes und die jeweilige Befahrung beein- flusste Signal empfangen. Das Empfangssignal wird nun einem A/D Konverter zugeführt, welcher das Eingangssignal mit einer relativ hohen Samplingrate in digitale Werte konvertiert. Ein definiertes Fenster mit einer durch die anzuwendende FFT Methode gegebenen Anzahl von Stützwerten (2n) gewonnen aus der AC/DC Oversamplingsrate reduzierten diskreten Messwerten mittels eines Verfahren wie Mittelwertbildung, 1 aus N, Peakwert, Minimalwert (und weitere) schiebt sich „real time" in Schritten vorwärts. Bei jedem Schritt wird das Resultat in Form von diskreten Amplitudenwerten aus dem überwachten Frequenzbereich den vorhandenen Auswerteeinheiten zugeführt. Diese sind alsdann in der Lage, den zeitlichen Verlauf von Amplitude und /oder Frequenz nach ihnen vorgegebenen Kriterien zu bewerten und daraus ihren spezifischen Entscheid wie beispielsweise für eine Belegung abzuleiten.
Die Störungen, die im Bahnbetrieb auftreten können, werden in statische und dynamische Störungen eingeteilt. Zu den statischen Störungen gehören alle ausserordentlichen Betriebsfälle, die mit Fehlern an der Infrastrukur (Gleisanlage und Sicherungsanlage) zusammenhängen und nicht zwingend durch ein Fahrzeug ausgelöst werden. Die Störungen können plötzlich auftreten, liegen aber für eine lange Zeit an. Sie erfordern meistens einen Eingriff des Personals. Die dynamischen Störungen dagegen resultieren aus der Energieauf- und Abnahme der Fahrzeuge mit den begleitenden elektrischen und elektromagnetischen Einflüssen im regulären Bahnbetrieb.
Eine exakte Beschreibung der dynamischen Störungen ist schwierig, da sie sehr vielfältig sind und Dauer, Frequenz wie Amplitude einer grossen Variabilität ausgesetzt sind. Das bisherige System unterscheidet drei verschiedene statische Störungen. a) Die Bettungsstörung
Für den Betrieb des Gleisstromkreises gilt als kritische Störung die Bettungsstörung. Sie wird erkannt, wenn der Empfangspegel zwischen dem Schwellenwert für Belegung und demjenigen für den Freizustand liegt. Das System kann nicht mehr mit Sicherheit feststellen, ob der Abschnitt frei oder belegt ist. Als Grund kann zum einen der Bettungsleitwert unzulässig angestiegen sein, so dass der Pegel ohne Fahrzeug im Gleis zu stark gedämpft wird. Zum anderen kann der Achsnebenschlusswiderstand durch rostbesetzte Radlaufflächen oder Schienenlaufflächen so gross sein, dass der Achsneben- schluss und damit der Pegel trotz Belegung nicht ausreichend klein werden.
Die Störung verschwindet, wenn entweder das Fahrzeug den Abschnitt wieder verlassen hat oder die Infrastruktur in Stand gesetzt wurde.
b) Übersteuerung
Eine weitere kritische Störung ist die Übersteuerung. Sie tritt auf, wenn der Senderpegel zu hoch eingestellt ist. Der Empfänger kann in diesem Fall auch keine gesicherte Aussage über den Belegungszustand des Gleises machen, da der Pegel bei schlechter Belegung nicht unter den Schwellenwert absinkt. Dieser Fehler lässt sich ebenfalls nur durch einen Benutzereingriff am Sender beheben.
c) Isolierstossüberbrückung
Eine Isolierstossüberbrückung führt dazu, dass zwei benachbarte Gleisabschnitte nicht mehr voneinander getrennt sind. Der Gleisstromkreis wird im unbenutzten Frequenzband den Sender des Nachbarabschnitts feststellen und so die Störung erkennen. Diese Störung erfordert einen Eingriff des Personals in die Infrastruktur. Diese Störungen lassen sich alleine durch die Auswertung der Burst-Intervalle mittels Schwellenwerten erfassen. Die Betrachtung des Gap-Intervalls ist nicht nötig. Die für einen Gleisstromkreis kritische dynamische Störung ist die Störung durch Traktionsströme. Der Traktionsstrom fliesst über die Oberleitung, durch das Fahrzeug und anschliessend zurück zur Ein- speisung. Ein Teil des Stromes fliesst über die Schiene zurück, ein anderer Teil durch das Erdseil an den Oberleitungsmasten und ein kleiner Teil durch das Erdreich. Bei mehrgleisigen Anlagen kann der Rückstrom ebenso durch die Nachbargleise zurück fliessen und dort Störungen verursachen, ohne dass das Nachbargleis befahren wird. Ein Eisenbahnsystem wirkt für den Rückstrom folglich wie ein Mehrleitersystem.
Für die Worst-Case-Betrachtung wird angenommen, dass sich ein Fahrzeug ausserhalb des Abschnitts befindet, die Einspeisung aber an der gegenüberliegenden Seite ist.
Der gesamte Traktionsstrom soll nur durch die Schiene zurück fliessen, da das Vorhandensein eines Erdseiles und einer konsequenten Erdung nicht garantiert ist.
Die Spannung am Empfänger ergibt sich zu:
ue = us + —^- ■ In. i (R'+iωL') ■ I
Formel 2
Man erkennt, dass die Störung hauptsachlich eine Funktion der Störstromamplitude Tr und der Abschnittslänge 1 ist. Die Störspannung teilt sich entsprechend der Impedanzen auf Sender und Empfänger auf. Der Widerstands- und Induktivitätsbelag aus dem Schienen- Ersatzschaltbild in Abbildung 4 müssen halbiert werden, da diese Werte für beide Schienen zusammen gelten.
Der Spannungsabfall entlang der isolierten Schiene wird vernachlässigt, da ihr Längswiderstand wesentlich kleiner ist als die Abschlüsse. Die einfache Multiplikation mit der Abschnittslänge ist zulässig, da keine Ableiteffekte in der geerdeten Schiene auftreten. Die moderne Drehstrom-Asynchron-Antriebstechnik hat in den letzten 20 Jahren die Serienmotoren und die Choppertechnik sowie Gleichstromantriebe bei Eisenbahnen weitestgehend verdrängt. Die Fortschritte in der Leistungselektronik ermöglichten immer höhere Fahrzeugleistungen und sensible Ansteuerung. Umrichterfahrzeuge haben jedoch einen erheblich grosseren Einfluss auf die Streckeneinrichtungen. Die Kopplung findet entweder über elektromagnetische Felder oder galvanisch durch die Traktionsströme statt. Gleisstromkreise sind, im Gegensatz zu Achszählsystemen, gegen e- lektromagnetische Störungen weniger empfindlich als gegen die oben beschriebenen direkten Störungen durch Traktionsströme.
Die wesentliche Veränderung durch den Einsatz der Umrichterfahrzeuge ist, dass die Frequenzanteile im Traktionsstrom nahezu beliebig geworden sind. Die grössten Störungen entstehen weiterhin durch die Grundwelle von 16,7 Hz bzw. 50 Hz und die entsprechenden, gedämpften Oberwellen. Hinzu kommen die Störungen, die aus dem Antrieb auf die Primärseite des Traktions-Fahrzeug-Trafos ein- koppeln. Deren Frequenz hängt direkt mit der momentanen Grundfrequenz des Motors und damit seiner Drehzahl zusammen. Zusätzlich führt der Rückleiter der Zugsammeischiene (1000V Speisung) ebenfalls durch die Schiene.
Durch die hohe Vielzahl und Vielfalt der angeschlossenen Verbraucher (auch Umrichter) sind die Störeinflüsse nur schwer erfassbar. Die Störung kann folglich in einem breiten Frequenzband und damit auch im Durchlassbereich des Filters im Gleisstromkreis auftreten.
Die Störung im Durchlassbereich des Filters ist eine echte Gefährdung für die Integrität der Belegtaussage. Zum einen kann das Sendesignal ausgelöscht und eine falsche Belegung erzeugt werden. Zum anderen kann der Pegel trotz tatsächlicher Belegung am Empfänger so gross werden, dass eine falsche Freimeldung entsteht. Der Empfänger kann folglich unter dieser Störeinwirkung keine gesicherte Aussage über den Belegungszustand machen. Die Störung lässt sich nur durch die Auswertung einer Zusatzinformation erkennen. Bei der vorstehend erläuterten Lösung wurde dazu der Pegel des Gapintervalls ausgewertet. Eine Störung wird erkannt, wenn der Pegel einen Schwellenwert übersteigt (Störstromgrenzewerte einbauen) . Die oben beschriebenen Sachverhalte lassen das vorstehend beschriebene UGSK-System an seine Grenzen stossen. Immer wieder einmal kann es unter einer Kumulation von Einwirkungen durch die Traktionsströme zu Störbeeinflussungen der Auswertung des Empfangssignals kommen. In der Folge ist der UGSK blockiert.
Eine falsch erkannte Belegung versetzt das System zwar in den sicheren Zustand, aber ein dadurch erforderlicher Eingriff des Personals stellt einen sicherheitskritischen Vorgang dar und erzeugt damit betriebshemmende Verspätungsminuten.
Ziel der Aufgabe / Erfindung ist es demnach, eine erhöhte Immunität gegen Traktionsbeeinflussungen zu erreichen. Das verbessert die Verfügbarkeit und senkt die Wahrscheinlichkeit für sicherheitskritische Eingriffe oder es kann bei gleich bleibendem Verhalten bei Verfügbarkeit und Sicherheit die zulässige Abschnittslänge erhöht werden.
Nachfolgend werden die wichtigsten Vorüberlegung und Randbedingungen diskutiert. Die Eigenschaft des Empfängers ist ein zentraler Punkt für die Verbesserung der Störimmunität. Das Sendesignal enthält keine Information im Sinne der Nachrichtentechnik. Der Empfänger muss nicht in der Lage sein, eine Information aus einem Ü- bertragungskanal zu dekodieren und weiter zu übermitteln. Vielmehr muss im Empfangssignal eine Störung zuverlässig erkannt und sinnvoll bewertet werden. Die Bewertungskriterien richten sich nach der geforderten Mindestsicherheit sowie an einer hohen Verfügbarkeit des Systems.
Für den Einsatz von Gleisstromkreisen definieren die Bahnbetreiber zulässige Pegel und nutzbare Frequenzen. Diese basieren auf bahneigenen Messungen an Strecken. Für neue Gleisstromkreise sollen die Nutzfrequenzen nicht mehr unter 200 Hz liegen. Aufgrund einer sinnvollen Weiterverwendung der alten Aussenanlagen sind Frequenzen über 250 Hz nicht geeignet. Die Figur 5 zeigt einen weiteren Aspekt für die Wahl der Sendefrequenzen. Diese liegen vorteilhaft zwischen den Harmonischen der Grundfrequenz. Auf diesen Überlegungen aufbauend wurden die Frequenzen fl = 208, 1 Hz, f2 = 224,2 Hz und f3 = 241,3Hz festgesetzt. Alle weiteren Ausführungen in Bezug auf die neuen Methoden werden diese Frequenzen benutzen. Drei Frequenzen sind nötig, um auch in Weichenfeldern die Gleisstromkreise voneinander abgrenzen zu können. Dies ermöglicht die Erkennung des Fehlers von Isolierstossüberbrückungen.
Mit der Frequenz ist auch die Amplitude des Sendesignals weitest- gehend festgelegt. Es muss gross genug sein, um bei einer schlechten Bettung eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten. Die andere Limite ist nach oben gegeben, um den Empfänger bei guter Bettung und damit kleinen Verlusten nicht zu übersteuern. Eine Modulation von Amplitude und Frequenz ist jedoch denkbar. Zusätzlich werden an die Gleisstromkreise bezüglich Erkennung des Belegungszustandes zeitliche Limiten gestellt. Die Auswertung hat den Wechsel eines Belegungszustandes ab Eintritt innerhalb der festgelegten Zeitlimite sicher zu erkennen. Der Betreiber definiert diese Zeit, die vom Auftreten des Ereignisses bis zur Meldung an das Stellwerk vergehen darf. Die Erkennung muss demnach so erfolgen, dass die Ausgabeeinheiten wie z.B. die Sicherheitsrelais zuverlässig angesteuert und wieder ausgelesen werden können. Die angegebenen 50 ms sind dafür erfahrungsgemäss ausreichend.
Tabelle 1 : Zeitliche Anforderungen für einen GleisStromkreis
Die Belegung eines Gleisabschnitts durch einen Kurzschluss mit einem metallischen Konstruktionsteil zwischen den zwei Schienen hat zur Folge, dass die Information über eine Belegung nur in der Amp- litude des empfangenen Signals enthalten ist. Die Beurteilung des Belegungszustandes ist nur durch den Vergleich der Signalgrösse am Empfänger mit festen Schwellenwerten zielführend. Es sind keine Verfahren bekannt, welche eine selektiv / adaptive Bereitstellung von Schwellenwerten ermöglichen. Von dieser Aussage ausgenommen sind Anpassungen der Schwellen, welche sich an klimatischen Kenn- grössen oder auch an Kenngrössen der Leitfähigkeit des Gleisbettes ableiten. Dabei besteht auch die Möglichkeit, den Sendepegel entsprechend anzupassen.
Definition der erforderlichen Schwellen für die bestimmungsgemässe Funktion
N Name Bezeichnung
1 Pl Schwelle für Freimeldung
2 P2 Schwelle für Belegtmeldung
3 Pmax Schwelle für Übersteuerung
4 Piso Schwelle für Stossüberbrückung
5 Ptr Schwelle für Traktionsström
Tabelle 2 : Schwellenwerte für Pegel Bewertung
Die Schwelle pmax ist die höchste Schwelle. Die Bedingung Pl > P2 definiert den verbotenen Zwischenbereich zwischen Freimeldung FM und Belegtmeldung BM.
In den vorangehenden Abschnitten sind die bekannten und angewandten Prinzipien mit 1 bis 4 für GSK mit ihren allgemeinen Eigenschaften beschrieben worden. Dabei ist an Hand des vorstehend beschriebenen Beispiels der USGK detailliert mit seinem Einwirkungsumfeld beschrieben worden.
In der Folge wird nun das neue Verfahren aufgezeigt, das wesentliche Vorteile gegenüber den bisher beschriebenen Prinzipien besitzt und eine wesentlich höhere diversitäre Auswerteleistung als das vorstehend genannte Prinzip erbringen kann. Es ist dabei ein wesentlich erweitertes Verfahren mit neuen Eigenschaften entstanden. Die Unterteilung des Prinzips Gleisstromkreis in die einzelnen Funktionsblöcke ist nachfolgend dargestellt. Geeignet für eine Darlegung des gesamten neuen Funktionsumfangs sind die Stationen im Signalweg.
Die Gleisstrom-Kreis Elektronik umfasst den
Signalsender, welcher ein, bezüglich dem Netzwerk des Gleises und den Traktionsbeeinflussungen geeignetes Sendesignal (Frequenz und Amplitude) an einem Ende des Abschnitts über das Einkoppelnetzwerk einspeist / sendet, und den
Signalempfänger, welcher dazu geeignet ist, am anderen Ende des Abschnittes über das Auskoppelnetzwerk aus dem Gleisabschnitt das austretende durch den jeweiligen Zustand (frei oder belegt) des Gleises sowie durch die Traktionseinwirkung beeinflusste Sendesignal korrekt zu empfangen, und die
Signalauswertung, welche durch ein optimiertes Verfahren die Datenaufbereitung durchführt. Diese Ergebnisse werden dann in der für die jeweilige Aufgabe zweckmässigen Datendichte pro Zeiteinheit den vorteilhaft je für eine Aufgabe optimalen Verarbeitungseinheiten zugeführt. Diese kontinuierliche Auswertung des Empfangssignals erlaubt eine sichere Detektion der Zustände FREI, BELEGT und GESTÖRT und darüber hinaus die Erkennung weiterer Beeinflussungsgrössen. und die
Ausgabeeinheit für die Ausgabe der FREI-, BELEGT- oder GE- STÖRT-Meldung an das Stellwerk, mittels Sicherheitsrelais zum einfachen Rücklesen des ausgegebenen Zustandes.
Der Sender
Das Sendesignal und die selektiven Auswerteverfahren sind aufeinander abgestimmt. Die Methode besteht in der Erzeugung eines quasikontinuierlichen Sendesignals, welches dennoch eine sichere Erkennung von Störungen ermöglicht, sie ist nachfolgend beschrieben. Der Sender benutzt im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren zwei Frequenzen, welche abwechselnd in einem symmetrischen Raster ausgegeben werden. Diese zwei Frequenzen werden aus meist drei oder mehr durch den Fahrwegbetreiber festgelegten Frequenzen bestimmt.
Mittels der Kombinatorik „2 von 2" wird die Abgrenzung zu benachbarten Gleisstromkreisen erreicht und die Erkennung des Fehlers einer Gleis-Isolationsüberbrückung wird beim Auftreten einer nicht gesendeten Frequenz mit den dadurch entstehenden physikalischen Merkmalen erkannt. Die Wahl der Frequenzen hat bei der vorgeschlagenen Lösung auf das Verfahren an sich keinen Einfluss, eine entsprechende Parametrierung des Senders und Verarbeitungsalgorithmen sind aber erforderlich.
Die Erkennung einer gültigen Belegung innerhalb von 250 ms wird durch die gewählte Lösung mit den zwei Sendefrequenzen optimal unterstützt. Der signaltechnische Aufbau einer Belegung muss demnach fortlaufend erfasst werden können. Die Verwendung eines kontinuierlichen Signals bietet zwar eine solche Möglichkeit, hat aber Nachteile bei der Erkennung von einwirkenden Störungen nahe der Sendefrequenz .
Um diese Nachteile zu umgehen, wird das Sendesignal wie folgt pa- rametriert .
Die Sendedauer für die beiden Frequenzen (jedes Kanäle) wird auf exemplarisch 170 ms festgelegt.
Die Sendefrequenzen werden mit Hinblick auf das Signalauswerteverfahren entsprechend adjustiert, das heisst, sie können geringfügig verschoben sein zu den Vorgaben der Bahnbetreiber.
Für die neue Lösung werden die drei vorgegebenen Frequenzen (zwei werden in einem Abschnitt genutzt) in das diskrete Raster der Fou- rier-Transformation verschoben. Eine Anpassung unter Einhaltung aller Anforderungen auf der Seite von Empfang und Auswertung führt in diesem Fall zu den folgenden Frequenzen. Diese Darstellung ist exemplarisch, es sind beliebige Festlegungen im Rahmen der FFT Eigenschaften möglich; fl = 206.25 Hz, f2 = 225 Hz und f3 = 243.75 Hz. Die nachfolgende Figur 6 verdeutlich die Vorteile der ange- passten Festlegung.
Der Empfänger
An den Empfänger werden keine speziellen Anforderungen gestellt. Er hat vielmehr die Aufgabe der Pegel-Adjustierung zum Zwecke des Schutzes der Eingänge vor einer Übersteuerung. Zudem wird eine Anpassung an die Leitung und des Empfangsübertragers zum Erreichen einer minimalen Beeinträchtigung erforderlich.
Die Auswertung
Das aus dem Abschnitt entnommene durch den jeweiligen Belegungszustand und durch den Traktionsstrom beeinflusste Sendesignal wird einem A/D- Konverter zugeführt.
Die Konversion arbeitet schnell und mittels Oversampling mit einer Rate von etwa 10:1 entsprechend den Eigenschaften des Eingangssignals. Die verwendete Methode verbindet die Ansätze von verschiedenen Methoden um ein quasi-kontinuierliches Sendesignal zu erzeugen, welches dennoch eine sichere Erkennung von Störungen ermöglicht. Der Sender benutzt dabei im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren zwei Frequenzen, welche wechselnd benutzt werden. Das aktuell gesendete und empfangene Signal in jeweils einer der beiden dem System zugehörigen Frequenzen ist in der Lage, den aktuellen Belegungszustand respektive dessen Zeitverlauf darzustellen. Auf der aktuell nicht gesendeten Frequenz besteht die Möglichkeit die einfallenden Störungen zu bewerten. Weiter können durch das Versagen von Gleisisolationen zwischen den Abschnitten nicht zum GSK zugehörige Frequenzen der Nachbarkreise detektiert werden. Der Unterschied der bis heute verwendeten Verfahren besteht darin, dass nicht Filter ein- und ausgeschaltet werden, sondern nur gerade auf ein zur aktuellen Sendefrequenz abgestimmtes Parameterset in einem zeitlich definierten Intervall im Auswertealgorithmus zugegriffen und verwendet wird.
Für die Auswertung wird generell das Empfangssignal mittels A/D Konverter diskretisiert und der aktuelle Signalverlauf in einem Zeitfenster mittels einer FFT analysiert. Die zeitliche Dauer des Fensters ist auf das für die Belegungserkennung bedeutende Frequenzspektrum abgestimmt. Bei der Auswertung werden zwei Verfahren angewendet, das kontinuierliche Verfahren der Auswertung und das Diskontinuierliche. Ist eine kurze Entscheidungszeit für die sichere Detektion eines Zustandes wie derjenige der Abschnittbelegung erforderlich, so wird die kontinuierliche Auswertung angewendet. Für das Freiwerden des Abschnittes wie auch für die Detektion einer Isolierstossüberbrückung und auch für das Monitoring der Traktions-Störeinwirkung ist die diskontinuierliche Auswertung vorteilhaft. Die diskontinuierliche Methode erlaubt eine Bewertung des Frequenzspektrums in einer beliebigen Zahl n von Auflösungsschritten aus dem kontinuierlichen Verfahren. Eine vorteilhafte Festlegung ist die Analyse des Signalverlaufs eines Zeitfensters mit definierter zeitlicher Position zur Sendefrequenzumschaltung.
Details zur kontinuierlichen Auswertung
Ein 256 Punkte grosses FFT Fenster gleitet schrittweise mit jedem Eintreffen eines digitalen Eingangssignalwertes vorwärts, fügt den aktuell gewandelten Momentanwert an der Spitze an und eliminiert den ältesten Wert (FILO). Nach jedem Vorwärtsschritt wird eine FFT durchgeführt. Im Bezug auf das aktuell ausgewertete Fenster treten die beiden Frequenzkomponenten in variablen Anteilen auf, wobei die Summe der beiden Anteile konstant ist. Dadurch ist der periodische Wechsel der Sendefrequenz ohne Auswirkungen auf die Verarbeitung, die Kontinuität bleibt gewahrt.
Details zur diskontinuierlichen Auswertung
Das FFT-Fenster der kontinuierlichen Auswertung wird auch für die diskontinuierliche Auswertung als Datenquelle unverändert genutzt. Es werden jedoch nicht in jedem Schritt Daten entnommen, sondern nach N Schritten respektive zu einem definierten Zeitpunkt bezogen auf das Sendeintervall für die zwei unterschiedlichen Frequenzen. Diese Auswertung über die Zeit erlaubt die detaillierte Erkennung aller Ereignisse, welche keine Synchronität zum Systemtiming besitzen und zeitlich in Relation zum Systemtiming nur kurzzeitigkurz (transient) anfallen. Auswerte-Algorithmus 1 Abschnittsbelegung (kontinuierlich) Der Amplitudenwert der momentan gesendeten Frequenz wird aus den mittels FFT berechneten Frequenzanteilen kontinuierlich aus jedem erzeugten FFT-Fenster entnommen und auf die Belegungsinformation hin bewertet. Der beiden alternierend gesendeten Frequenzen haben keinen Einfluss auf das Auswerteverfahren. Der zeitliche Verlauf der Amplitude des Sendesignals wird mittels einer Amplitudenbewertung für die Erkennung der in Tabelle 1 aufgeführten Zustände 1 und 2, die Belegung und die Freimeldung) unter Einbezug der in der Tabelle 2 festgelegten Zeitkriterien ermittelt (siehe auch Figur 19) .
Auswerte-Algorithmus 2 TraktionsStöreinwirkung (diskontinuierlich)
Die Analyse der Empfangsamplituden in der aktuell nicht gesendeten Frequenz identisch Algorithmus 1 erlaubt eine Beurteilung der Störeinwirkungen dieser Frequenz im aktuellen Zeitpunkt. Da solche Störeinwirkungen durch die Traktion zeitlich meist erheblich über der Pausenzeit des Abtastrasters liegen, entsteht auch eine Vorgabe für die Bewertung der Beeinflussung des Sendesignals.
Auswerte-Algorithmus 3 Weitere Einflüsse (diskontinuierlich)
Zusätzlich zu der Auswertung des Verlaufes der Amplitude über die Zeit der beiden Sendefrequenzen und der damit möglichen Belegt- Aussage kann auch das Eindringen von Arbeitsfrequenzen aus Nachbarkreisen beim Auftreten einer Isolierstossüberbrückung als Fehler erkannt werden. Die Offenbarung eines solchen Fehlers ist nicht zeitkritisch und kann weiter gemeldet werden.
Darstellung des Verfahrens und der Einrichtung für die die Erkennung der Belegungszustände in einem Gleisabschnitt befindet sich in der nachfolgenden Abbildung. Weitere Auswertungen mittels Algorithmus 4 bis n sind bei Bedarf möglich.
Die Verschiebung des Amplitudenganges eines digitalen Filters kann auf zwei Arten erfolgen. Zum einen kann die Charakteristik bei konstanter Abtastfrequenz durch eine Änderung der Filterkoeffizienten im Betrieb angepasst werden. Zum anderen kann die Abtastfrequenz geändert werden, ohne die Koeffizienten zu modifizieren.
Diese Methode bietet folgende Vorteile:
Das quasi-kontinuierliche Sendesignal ermöglicht die gleichen selektiven Filter wie sie bei nur einer Sendefrequenz möglich sind. Die Immunität gegen Störungen durch die Verkleinerung der Bandbreite ist folglich maximal. Die Erkennung von Störungen ist permanent möglich. Weder für die Belegungserkennung noch für die Störungserkennung müssen daher Worst-Case-Fälle für den Belegungszeitpunkt angenommen werden. Die Sicherheit bei der Erkennung einer Störspannung ist vergleichbar oder besser als beim beschriebenen UGSK System. Simulationen zeigen, dass der Einsatz zweier Filter nicht unproblematisch ist. Alle Umschaltvorgänge im laufenden Betrieb führen zu Reaktionen im Ausgangssignal des Filters. Zusätzlich wird der Aufwand im Bereich der A/D-Wandlung erhöht, da schlimmstenfalls zwei getrennte Wandler für ein Signal verwendet werden müssen. Funktionsblock A/D-Wandlung
Für den Fall, dass die Anpassung der Filter nur durch die Änderung der Koeffizienten erzielt wird, kann das Wandlersystem wie folgt ausgelegt werden. Die Überabtastfrequenz (Oversampling) beträgt 12,8 kHz und die Nutzabtastfrequenz 1600 Hz.
In allen anderen Fällen müssen zusätzliche Frequenzen bestimmt werden. Das Verhältnis von Nutzabtastfrequenz und Überabtastung soll den Faktor 8 betragen. In den Intervallen, in denen der Sender mit der niedrigeren Frequenz sendet, werden die bisherigen Abtastraten verwendet. Die Nutzabtastfrequenzen für die Intervalle mit höherer Frequenz sind in Tabelle 3 berechnet. Die resultierende Verschiebung des digitalen Anti-Alias-Filters kann in diesem Bereich toleriert werden.
Sendefrequenz Phase 1 Phase 2
208,1 und 224,2 Hz 1600 Hz 1724 Hz
208,1 und 241.3 Hz 1600 Hz 1855 Hz 224, 2 und 241, 3 Hz 1600 Hz 1722 Hz
Tabelle 3 : Abtastfrequenzen zur Verschiebung der Filter
In der Implementierung können die nötigen Überabtastfrequenzen aus dem hohen Systemtakt des DSPs gewonnen werden.
Die in Methode I beschriebene Wandlerarchitektur mit Anti-Alias- System kann unverändert übernommen werden.
Das Filter 1 hat die Aufgabe, das Sendesignal möglichst gut zu i- solieren, so dass nur dessen Amplitude bewertet wird. Ein solches Filter ist für ein kontinuierliches Sendesignal entworfen worden. Dieses Filter kann in dieser Methode übernommen werden, da die zeitlichen Anforderungen bei Nutzung des quasi-kontinuierlichen Sendesignals identisch sind. Um diesen Vorteil nutzen zu können, muss das Filter in jedem Intervall an die Sendefrequenz angepasst werden. Das Filter.
IIR-Filterentwurf : Das Empfangsfilter kann alternativ als rückgekoppeltes System entworfen werden. Die Filterordnung ist dabei wesentlich kleiner als bei einem FIR-System. Ausserdem hat die Filterordnung nur eine geringe Auswirkung auf die Verzögerung des Filters. Diese wird hauptsächlich durch die geforderte Breite des Übergangsbereichs bestimmt. Die Sperrdämpfung wird analog mit - 4OdB festgelegt. Den gewünschten glatten Amplitudengang im Durchlassband erreicht man durch die Auslegung als Tschebyscheff-II- Filter. Das Ergebnis des Entwurfs ist für jede Sendefrequenz in der Figur 8 dargestellt.
Die IIR-Filter weisen eine -6dB-Bandbreite von 12 Hz auf. Dazu sind zwei Ansätze denkbar.
Der Amplitudengang des Filters wird durch das Ersetzen der Koeffizienten im Betrieb auf der Frequenzachse verschoben. Diese Technik ist von adaptiven Filtern bekannt. Für diese Art von Filter wird ein Algorithmus entworfen, welcher die Koeffizienten eines Filters online ändert, um ein gewünschtes Verhalten zu realisieren. Solche Systeme werden beispielsweise zur Systemidentifikation oder Echounterdrückung eingesetzt.
In dieser Methode soll jedoch das Filter nicht laufend modifiziert werden, sondern nur zu den bekannten Zeitpunkten, an denen der Sender die Frequenz wechselt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass im Abtastsystem keine Änderungen erfolgen müssen und die Abtastrate immer konstant bleibt. Der Nachteil dieser Technik wird jedoch in Figur 9 deutlich.
Ab dem 1000. Sample wurde das Eingangssignal von 208,1 Hz auf 224,2 Hz umgeschaltet und das Filter mit den entsprechenden Koeffizienten geladen. Das Filter zeigt nach dem Übergang ein tran- sientes Verhalten, welches die Auswertung der Amplitude unbrauchbar macht. Zusätzlich muss bedacht werden, dass adaptive Lösungen bei entsprechenden Sicherheitsanforderungen immer einen aufwendigen Sicherheitsnachweis erforderlich machen.
Die Anpassung an die Signalfrequenz wird bereits im Funktionsblock A/D-Wandlung durchgeführt. Dazu muss die Abtastrate entsprechend angehoben oder gesenkt werden. Das Filter, welches wie jedes digitale System auf die Abtastfrequenz bezogen ist, wird im entsprechend abgetasteten Eingangssignal keine Frequenzänderung feststellen und folglich ein Ausgangssignal wie in der Methode für ein kontinuierliches Sendesignal erzeugen. Die ausgelegten Filter können übernommen werden.
Funktionsblock Filter 2
Das Filter 2 hat die Aufgabe, Störungen im Bereich der Sendefrequenzen zu isolieren und bewertbar zu machen. In dieser Methode wird das Filter immer auf die gerade nicht verwendete Sendefrequenz eingestellt. Da sich die Sendefrequenz periodisch ändert, werden Störungen auf beiden benutzten Frequenzen erkennbar. Die gewonnene Information entspricht derjenigen des Gap-Intervalls beim bisherigen System UGSK. Die Problematik beim Umschalten von Filter 2 ist, dass die Richtung der Verschiebung auf der Frequenzachse genau umgekehrt zu jener von Filter 1 ist. Dieser Zusammenhang ist in Figur 10 dargestellt. Beim Umschalten zur höheren Abtastfrequenz werden beide Filter in Richtung höherer Frequenzen verschoben. Das Filter 2 soll jedoch auf die kleinere Frequenz abgestimmt werden. Ein erster Lösungsansatz ist, für beide Frequenzen eine unterschiedliche Abtastrate zu verwenden. Daraus folgt jedoch, dass zumindest der gesamte digitale Teil der A/D-Wandlung zweikanalig ausgeführt werden muss. Bei näherer Betrachtung der Anforderungen an die Störungserkennung können jedoch Vereinfachungen angenommen werden. So ist es beispielsweise nicht zwingend notwendig, dass der Störpegel laufend überwacht wird. Es ist ausreichend, wenn am Ende eines Intervalls eine unzulässige Störspannung festgestellt werden kann. Das Filter 2 kann folglich bei jedem Umschalten zurückgesetzt werden. An- schliessend lässt man das System einschwingen und bewertet die Amplitude. Dieser Ansatz erfordert eine neue Festlegung der Länge der Sendephase mit einer Frequenz .
Für das Filter 1 spielt die Länge der Sendeintervalle bis zum Umschalten keine Rolle, da die Änderung durch die Abtastung kompensiert wird. Setzt man für das Filter 2 zweckmässigerweise die gleiche Ordnung wie für Filter 1 an, so ergibt sich eine Einschwingzeit von ca. 170 ms. Für die anschliessende Bewertung können wieder zwei Intervalle mit je 40 ms angenommen werden. Jede Frequenz kann folglich innerhalb von 250 ms auf eine Störung untersucht werden. Die Forderung, dass nach ca. 500 ms eine Störungsmeldung abgegeben werden kann, wird knapp erfüllt.
Da unabhängig von der gewählten Strategie hinter den Filtern ein quasi-kontinuierliches Signal vorhanden ist, kann die Bewertung der Amplitude wie folgt durchgeführt werden. Zum Erkennung des Belegungszustandes eines Abschnitts genügt eine Bewertung der Amplitude des gefilterten Signals. Die Summation des Betrages des Signals über ein bestimmtes Intervall lässt sich leicht implementieren. Die Länge des Betrachtungsintervalls muss dabei mindestens der Periodendauer des Sendesignals entsprechen, sollte aus Sicherheitsgründen jedoch mehrere Schwingungen umfassen. Die Intervalllänge des bestehenden Systems von 40ms wird übernommen. Eine An- passung ist jedoch aufgrund von neuen Erkenntnissen oder Messergebnissen denkbar. Das Ergebnis der Summation ist in Figur 11 gezeigt. Jede Verschiebung des Fensters ergibt einen neuen Punkt. Man erkennt, dass die Punkte einer leichten Schwingung unterworfen sind. Je schmaler das Betrachtungsfenster gewählt wird, desto ausgeprägter ist die Schwingung. Aus diesem Grunde darf das Fenster nicht zu klein gewählt werden. Ab 32 Samples sind die Ergebnisse zufrieden stellend.
Mit Methode III wird ein Ansatz verfolgt, der die theoretisch maximale Immunität verspricht und Störungen dennoch so zuverlässig erkennen kann wie das bisherige System durch Auswertung eines Gapintervalls. Anstelle der Sendepause des bestehenden Systems wird in dieser Methode auf einer anderen Frequenz weiter gesendet und ein Filter im Empfänger der Sendefrequenz nachgeführt. Ein weiteres Filter wird auf die nicht genutzte Frequenz abgestimmt und ermöglicht die Bewertung von Störsignalen. Aus den verschiedenen, oben vorgestellten und diskutierten Ansätzen verspricht die Verwendung einer variablen Abtastrate und eines nichtkontinuierlichen Filters 2 den grössten Erfolg. Es umgeht die Notwendigkeit eines zweiten A/D-Wandlers und vermeidet die Probleme bei der Online-Nachführung der Koeffizienten von Filter 1. Die Sendedauer einer Frequenz wird auf 250 ms festgelegt.
Die wichtigsten Betriebsparameter lauten:
Parameter Wert
Überabtastfrequenz los = 12,8
Abtastfrequenz Is = = 1600 Hz
Sendefrequenz 1 fl = 208,1 Hz
Sendefrequenz 2 f2 = 224,2 Hz
Sendefrequenz 3 f3 = 241,3 Hz
Sendephase Kanal A ta = 210 ms
Sendephase Kanal B tb 210 ms
Tabelle 4 : Prozessparameter Die Spektralanalyse-Methode benutzt im Gegensatz zu allen anderen, vorgestellten Methoden zusätzliche Information im Frequenzbereich des empfangenen Signals. Die heute verfügbaren Signalprozessoren und schnellen Transformationsalgorithmen lassen eine grundlegende Analyse der Empfangssignale sinnvoll erscheinen. Der Empfänger dieser Methode besitzt eine einfache, aus drei Funktionsblöcken bestehende Struktur (Figur 12). Auf das empfangene, digitalisierte Signal wird eine diskrete Transformation angewandt. Die berechneten Koeffizienten beinhalten alle nötigen Informationen, um Belegungszustand und Störung des Abschnitts bewerten zu können. Als Transformationen kommen beispielsweise die short-time discrete fourier transformation und die wavelet transformation zum Einsatz. Die Festlegung der Parameter der STFT hat Auswirkung auf das zu wählende Sendesignal. Dieser Mechanismus ist nachfolgend noch beschrieben.
Die in Methode I beschriebene Wandlerarchitektur mit Anti-Alias- System kann unverändert übernommen werden.
Zur Auswertung des empfangenen Signals kommen zwei Transformationen in Betracht, die in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Zuerst wird die Belegungserkennung mit Hilfe der STFT realisiert. Sie verwendet Fenster der festen Lange in = 2 Samples und ist gut digital implementierbar. Die Auflösung im Frequenzbereich muss besser als Δf = 16 Hz sein. Dies entspricht in etwa dem Abstand der Sendefrequenzen. Für die erforderliche Fensterlange in gilt:
— < 16Hz m
Die Unscharfe zwischen zeitlicher und spektraler Auflösung erfordert einen Kompromiss, der durch die Gleichung beschrieben wird. Die Wahl von in = 256 unter der Voraussetzung fs = 1600 Hz führt zu einem Beobachtungsfenster von Δt = 160 ms und einer Frequenzauflösung von Δf = 6,25 Hz. Eine Verdoppelung von in führt zu einem unzulässig langen Fenster und eine Halbierung verschlechtert die Frequenzauflösung, so dass eine saubere Signalerkennung erschwert wird.
Für die Berechnung der FFT auf einem digitalen System existiert eine Vielzahl von Algorithmen. Viele Anbieter von DSPs oder FPGAs bieten direkt fertige IP-cores an, welche speziell auf die Zielhardware zugeschnitten sind. Dadurch sind auf preisgünstigen Bausteinen bereits Transformationszeiten von wenigen μs möglich. Für diese Anwendungen sind solche Leistungen jedoch überflüssig und es bleibt zu prüfen, ob nicht durch eine eigene Implementation Platz auf Kosten der Leistung eingespart werden kann. Die Verwendung selbst entwickelter Systeme vereinfacht die Argumentation bei der Zulassung und kann zur Kostenreduktion beitragen.
Der Ausgang des Funktionsblocks Transformation liefert, unabhängig von der gewählten Transformation, einen Satz von Koeffizienten, welche das ursprüngliche Signal repräsentieren. Im Unterschied zu den anderen Methoden wird nicht die Amplitude im Zeitbereich ge- mittelt und bewertet, sondern die berechneten Koeffizienten mit Schwellenwerten verglichen. Im Falle eines mit der STFT transformierten Signals müssen in jedem Intervall nur drei Koeffizienten untersucht werden. Wenn die FFT mit den oben angegebenen Parametern berechnet wurde, repräsentieren die Koeffizienten 34, 37 und 40 genau die Anteile der Sendefrequenzen. Mehr Information ist in der Regel für die Transitions-Entscheidung nicht notwendig. Wie oben erläutert, muss zur Einhaltung der Zeitbedingung für eine Belegung die Bewertung der Koeffizienten permanent erfolgen. Die Erkennung einer Isolierstossüberbrückung benötigt diese fortlaufende Information ebenfalls, da die benachbarten Gleisstromkreise nicht synchronisiert sind. So wird sichergestellt, dass die Einwirkzeit des Nachbarstromkreises auf dem unbenutzten Kanal ausreichend lang ist. Für die Detektion aller anderen Betriebsfälle genügt die Bewertung der Koeffizienten zu bestimmten Zeitpunkten. Die Zeitpunk- te sind so gewählt, dass das FFT-Fenster vollständig innerhalb eines Senderintervalls liegt und folglich nur ein Koeffizient die Information über das Sendesignal enthält.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der durch Laufzeiteffekte auftretende, zeitliche Übergangsbereich beim Umschalten zwischen den Kanälen vermieden werden kann. Zur punktuellen Bewertung wird das Intervall genutzt, welches 10 ms nach dem Umschalten der Sendefrequenz beginnt. Die Figuren 17, 19 und 20 verdeutlichen den zeitlichen Verlauf der Auswertung im ungestörten Zustand. Die markierten Koeffizienten stellen die Werte zu den fixen Zeitpunkten dar.
Für das Auslösen einer der in Figur 13 gezeigten Transitionen dienen die FFT-Koeffizienten. Sie werden fortlaufend berechnet, in den meisten Fallen jedoch nur punktuell für die Bewertung berücksichtigt. Die Ausnahmen sind die Transition Tl sowie T3 bei der Isolierstossüberbrückung . Die jeweils aktive Frequenz wird nachfolgend als Kanal A mit dem zugehörigen Koeffizienten Ca bezeichnet. Die Frequenz, auf der gerade nicht gesendet wird, ist Kanal B mit dem Koeffizient Cb. Die Frequenzen von Kanal A und B werden folglich mit jedem Intervall vertauscht. Die Koeffizienten entsprechen dem Empfangspegel in den übrigen Methoden und werden ebenfalls mit Schwellenwerten verglichen.
Die Transition Tl wird genau dann aktiv, wenn der GSK im Zustand Sl ist und die Koeffizienten der beiden eingestellten Frequenzen gilt:
Ca + Cb < P2
Durch die kontinuierliche Auswertung wird die Zeitbedingung jederzeit eingehalten. Die Belegung sollte nicht unmittelbar nach der Erkennung gemeldet werden, sondern für die noch verbleibenden knapp 100 ms weiter beobachtet werden, um den Einfluss von kurzzeitigen Störungen zu verringern. Die Anforderung an die Transition ist nicht sehr restriktiv, da S2 der sichere Zustand ist. Im Falle einer Störung kann es vor der Störungsmeldung zu einer kur- zen Belegung kommen. Im nächsten fixen Intervall wird die Störung jedoch zuverlässig erkannt. Dieses Vorgehen ist erlaubt. Die Transition T2 wird aktiv, wenn der GSK im Zustand S2 ist und in zwei aufeinander folgenden, fixen Intervallen gilt:
Ca > Pl und Cb < Ptr
T2 ist folglich restriktiver als T5. Es wird sichergestellt, dass auf keiner der beiden verwendeten Frequenzen eine Störung zu einer falschen FM führen kann, ohne dass sie erkannt wird.
Die Transition T3 wird aktiv, wenn der GSK im Zustand Sl ist und eine der folgenden Fälle auftritt: Eine Übersteuerung wird erkannt, wenn
Ca > Pmax
in zwei aufeinander folgenden Intervallen ist. Es ist davon auszugehen, dass der Pegel auf beiden Frequenzen zu hoch ist. Falls der Pegel nur auf einer Frequenz zu hoch ist, handelt es sich um eine konstruktive Überlagerung mit einer Störspannung. Der Abschnitt kann frei bleiben, da die Belegungserkennung über die ungestörte Frequenz weiterhin möglich ist.
Eine Bettungsstörung wird erkannt, wenn für den Koeffizient von Kanal A in zwei aufeinander folgenden Intervallen gilt:
P2 < Ca < Pl
Zur Erkennung der Isolierstossüberbrückung wird der Koeffizient Cx der ungenutzten Frequenz bewertet. Für die Erkennung steht eine lange Beobachtungszeit zur Verfügung. Diese sollte ausgenutzt werden, um sicherzustellen, dass die Isolierstossüberbrückung nicht aufgrund einer kürzeren Störung durch Traktionsstöme erzeugt wird. Die Störung wird erkannt, wenn der Koeffizient der unbenutzten Frequenz häufig erfüllt ist. Cx > Piso
Da die benachbarten GSK nicht synchronisiert sind, muss sichergestellt werden, dass auch bei ungünstiger Verschiebung zwischen den Intervallen der beiden GSK der Pegel ausreichend hoch ist. Dies wird durch die kontinuierliche Auswertung des unbenutzten Kanals sichergestellt .
Eine Traktionsstromstörung äussert sich durch:
Cb > Ptr
Die Transition T4 beschreibt die Befreiung des GSK aus der Störung in eine reguläre Belegung. Für diesen Übergang stehen mehr als die 250 ms der Transition Tl zur Verfugung. Um T4 auszulösen, müssen in zwei aufeinander folgenden Intervallen
ca < P2 und cb<P2
sein. Diese Bedingung ist notwendig, damit das System nicht permanent mit jedem Intervall zwischen S2 und S3 wechseln kann. Die zusätzliche Beobachtungszeit kann in Anspruch genommen werden, da beim Freifahren langsam und nicht mit Streckengeschwindigkeit gefahren wird.
T5: Die Transition T5 wird ausgelost, wenn der GSK im Zustand S2 ist und die gleichen Bedingungen wie bei T3 erfüllt sind.
Im vorhergehenden Abschnitt wurden neue Methoden erarbeitet, welche im ungestörten Fall eine Gleisfreimeldung ermöglichen. Neben dieser Grundfunktion sollen sie möglichst immun gegen dynamische Störungen sein. Um diese Eigenschaft genau bewerten und mit dem bestehenden System vergleichen zu können, werden in den folgenden Abschnitten verschiedene Störungen definiert. Die Charakteristik der Störung kann anhand von Erfahrungen durch Messwerte oder durch theoretische Überlegungen festgelegt werden. Im Laufe des Lebenszyklus des UGSK von Siemens Schweiz AG wurden zahlreiche Messungen direkt an der Streckeninfrastruktur sowie im Primärkreis von Triebfahrzeugen durchgeführt.
Mit solchen punktuellen Messungen können grundlegende Eigenschaften der zu erwartenden Störungen analysiert werden. Eine repräsentative Übersicht über alle möglichen Störszenarien durch sämtliche Triebfahrzeuge, Zuge und besondere Betriebsfälle ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Die bisher durchgeführten Messungen betrachteten lediglich Teile der zu erwartenden Störungen. Aus den zur Verfügung stehenden Messergebnissen können folgende Eigenschaften der Störungen abgeleitet werden:
Die Traktionsrückströme von Umrichterfahrzeugen enthalten bei kleinen Geschwindigkeiten einen hohen Oberwellenanteil. Die Amplituden unterschreiten die Grenzwerte jedoch deutlich. In den Messungen unter 15 kV/16.7 Hz treten über 200 Hz keine nennenswerten Harmonische mehr auf. Bezüglich des 25 kV/50 Hz Netzes liegen momentan keine Messungen vor. Die Traktionsrückströme von Umrichterfahrzeugen enthalten bei hohen Geschwindigkeiten einen vergleichbaren Oberwellenanteil wie bei kleinen Geschwindigkeiten. Die Amplitude der Grundwelle ist aufgrund der umgesetzten Wirkleistung entsprechend grösser. In diesem Fall sind die Anteile über 200 Hz ebenfalls vernachlässigbar.
Die Auswirkungen der Zugsammeischiene sind bisher nur wenig bis gar nicht untersucht. Daher sei die Annahme erlaubt, dass neben der Grundwelle und deren Harmonischen ein nennenswertes Rauschen auftritt. Im Gegensatz zu den harmonischen Emissionen der Triebfahrzeuge unterliegt die Zugsammeischiene keinen Grenzwerten. Fahrzeuge mit Gleichstrommaschinen ohne Leistungselektronik erzeugen keine störenden Oberwellenanteile. Sie haben keinen Einfluss auf die Gleisstromkreise über 200 Hz. Die Einflüsse von ausseror- dentlichen Betriebsfällen sind ebenfalls noch unzureichend untersucht. Dazu gehören beispielsweise das Überfahren einer Schutzstrecke mit eingeschaltetem Hauptschalter oder ein Fahrleitungs- kurzschluss. In diesen Fallen sind kurze, hohe Stromimpulse in der Schiene denkbar. Alle Anlagen in der Bahntechnik werden auf eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt. Die Fortschritte in der Leistungselektronik der letzten Jahre haben gezeigt, dass ein Abschätzen der zukünftigen Störeinwirkung auf diese Anlagen nicht trivial ist. Die installierte Leistung auf einem Triebfahrzeug wird aus mechanischen Gründen nicht deutlich ansteigen, dafür werden vor allem Güterzuge schwerer und mit mehr Triebfahrzeugen geführt.
Die Länge von Personenzügen lässt sich aufgrund der beschränkten Infrastruktur nicht übermässig vergrössern. Die Leistungsaufnahme über die Zugsammeischiene und der damit verbundene Störeinfluss werden durch die wachsenden Komfort- und Service-Ansprüche der Kunden mit Sicherheit steigen. Ein weiterer Trend sind flexible, schnelle Triebzüge mit einem verteilten Antriebskonzept, deren Leistung die eines einzelnen Triebfahrzeugs deutlich übersteigen kann. In der Schweiz fehlen auch hier mangels Fahrzeugen aussagekräftige Messungen. Die Störungen im realen Betriebsumfeld werden in Zukunft zwar an Intensität zunehmen, aber ihre grundlegende Charakteristik nicht bedeutend ändern.
Als Grundlage für die Performance-Analyse der neuen Methoden dienen die in diesem Abschnitt beschriebenen Testsignale. Sie sind so gewählt, dass sämtliche, theoretisch möglichen Störungen abgedeckt sind.
Die Schienenströme als Verursacher der Störsignale sind in ihren Grenzwerten durch den Hauptbetreiber und hausintern beschrieben. In der Nähe der Sendefrequenzen dürfen 4 Ampere rms nicht überschritten werden.
Sinussignal
Als Störung wird ein sinusförmiges Signal mit einer einzigen Frequenz auf das Sendesignal addiert. Alle Parameter des Signals sind variabel. Die Frequenz sollte im Durchlassbereich des Filters liegen. Die Amplitude wird in den Beispielen so gewählt, dass eine Auslöschung des Sendesignals möglich ist. Die Berechnung der Störspannung aus dem maximal zulässigen Schienenstrom bei langen Abschnitten zeigt, dass die Störspannung die gleiche Amplitude wie das Sendesignal annehmen kann.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Signal im realen Bahnbetrieb auftritt, ist sehr gering. Dennoch wird es als Testsignal verwendet, da es insbesondere für die Methoden mit kontinuierlichem Sendesignal eine Herausforderung darstellt.
Rauschen
Die Einflüsse der Zugsammeischiene werden durch ein mittelwertfreies Rauschen nachgebildet. Im Durchlassbereich des Empfangsfilters treten damit zufällige, verschieden hohe Störanteile auf. Die SNR wird dabei bewusst sehr klein gehalten, um die nennenswerten Leistungen nachzubilden.
Traktionsström
Ein Traktionsstrom mit der Grundfrequenz von 16,7 Hz und die ersten 15 Harmonischen bilden die Einflüsse eines fahrenden Zuges nach. Die festgelegten Sendefrequenzen liegen zwar neben den Harmonischen, allerdings kann ein zu breites Empfangsfilter diese mit einschliessen . Die Störung kann im Durchlassbereich wie ein Sinussignal einer Frequenz beschrieben werden, da die Filter von Methode I und III ausreichend schmal sind.
Impuls
Mit Hilfe dieses Signals wird untersucht, wie lange eine Störung mindestens einwirken muss, um eine falsche FM oder BM zu erzeugen. Die Ergebnisse können dazu verwendet werden, die Strategie bei der Störungsbehandlung in der Feinplanung zu verbessern. Es ist beispielsweise denkbar, dass eine zu kurze, gemeldete Belegung nachträglich als Störung behandelt wird.
Zur Veranschaulichung der Funktionsweise werden mit Hilfe von MAT- LAB Simulationen erstellt. In Abbildung 17 wird die grundsätzliche Funktionsweise dieser Methode dargestellt. Die obere Grafik zeigt das abgetastete Empfangssignal während 400 Samples. An den markierten Zeitpunkten findet die Umschaltung zwischen den Frequenzen fl und f2 statt. Die 256 Abtastwerte innerhalb des markierten FFT- Fensters dienen als Eingangsdaten für die Transformation. Sie sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt.
Die untere Grafik zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf der drei ausgewählten Koeffizienten der FFT. Da die Sendeperiode auf einem Kanal länger ist als das FFT-Fenster, gibt es ausgewählte Zeitpunkte, an denen nur eine Frequenz des Senders im Transformationsergebnis vorkommt. Diese Zeitpunkte sind markiert.
Die Abbildung 18 zeigt die Koeffizienten zu den ausgezeichneten Zeitpunkten über eine längere Zeit. Im ungestörten Zustand erreicht der Koeffizient ca den Normalwert, während cb verschwindet. Wenn diese Situation mindestens zwei Intervalle lang vorliegt, gilt der Abschnitt sicher als frei. Neben der Erkennung des freien Zustandes mit Hilfe der Koeffizienten an den fixen Zeitpunkten erkennt das System eine Belegung mittels der fortlaufend berechneten Koeffizienten. Eine ausreichend gute Belegung erzeugt den in Abbildung 19 dargestellten Verlauf der Koeffizienten. Ab dem 960. Sample ist der Abschnitt belegt. Während der folgenden 160 ms werden die Koeffizienten kleiner und anschliessend die Belegung erkannt, da sowohl cl als auch c2 unter P2 gefallen sind. Diese Situation kann für weitere 100 ms beobachtet werden, bevor die Belegung gemeldet wird. Diese Betriebsfälle zeigen, dass die Auswertung die Grundfunktion erfüllen kann. Die Übersteuerung und die Bettungsstörung werden mit der gleichen Information und anderen Schwellenwerten erkannt. Die Isolierstossüberbrückung als verbleibende statische Störung bedarf einer getrennten Betrachtung.
Die benachbarten UGSK müssen so eingestellt werden, dass sie sich immer in einer Sendefrequenz unterscheiden. Für das Beispiel in Abbildung 20 benutzt der simulierte GSK die Frequenzen 11 und 12, der Nachbar die Frequenzen 12 und 13. Nach 400 Abtastungen kommt es zu einer Stossüberbrückung und der Empfänger erhält zusätzlich das Signal des benachbarten GSK. Dabei hängt das Verhältnis der Amplituden von den Parametern der Infrastruktur ab. Deren Änderung ist in diesem Beispiel nicht berücksichtigt. Die Phasenlage und die Umschaltzeitpunkte der Frequenz sind ebenfalls zufällig, da die Taktquellen der GSK nicht synchronisiert sind.
Die abwechselnde Verwendung von zwei Frequenzen mit identischen Sendeperioden stellt jedoch sicher, dass die nicht gemeinsamen Frequenzen der beiden GSK während mindestens eines halben Auswerteintervalls einwirken und hier der Koeffizient c3 ausreichend gross wird. Das Beispiel zeigt diesen Grenzfall. Beim Sample 816 werden die Koeffizienten ausgewertet und dort ist c3 » 0. Tritt dieses Ereignis in der 20 Sekunden langen Beobachtungszeit zu häufig auf, kann die Isolierstossüberbrückung gemeldet werden.
Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Methode die Koeffizienten einer schnellen Fourier-Transformation des empfangenen Signals bewertet. Sie bietet die folgenden Vorteile:
Die effektive Störbandbreite ist mit 12,5 Hz vergleichbar zu derjenigen von Methode I und damit um den Faktor 2 besser als beim bestehenden System. Für die Belegung müssen keine ungünstigen Zeitpunkte berücksichtigt werden, welche zu Kompromissen in der Immunität führen. Ein Auslöschen des Sendesignals durch eine schmalbandige Störung ist nicht möglich. Durch die wechselnde Sendefrequenz werden künstliche Sendepausen erzeugt. Sie ermöglichen eine vergleichbare Störungserkennung wie der im Stand der Technik bekannte Gleisstromkreis UGSK 95 der Firma Siemens Schweiz AG.
Die FFT ist hinlänglich untersucht und digital implementierbar. Der Sicherheitsnachweis kann geschlossen erbracht werden. Dagegen sprechen nur folgende geringfügige Nachteile dieser Methode: Die FFT benötigt geringfügig mehr Rechenleistung als die drei Methode I-FIR-Filter . Die zeitlichen Grenzwerte für die Störungserkennung lassen sich im worst case-Fall nur knapp einhalten. Diese Grenzwerte sind jedoch keine absoluten Limite, sondern verstehen sich eher als Richtwerte. Betriebsparameter der Methode lauten:
Parameter Wert
Überabtastfrequenz los = 12,8 kHz
Abtastfrequenz Is = 1600 Hz
Sendefrequenz 1 fl = 208,1 Hz
Sendefrequenz 2 f2 = 225,0 Hz
Sendefrequenz 3 f3 = 243,75Hz
Senderintervall ta, b = 170 ms
FFT-Fensterlänge In = 256
FFT-Genauigkeit 16 Bit
Tabelle 5: Prozessparameter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gleisfreimeldung eines Abschnitts einer Gleisstrecke, bei dem: a) eine Länge des Abschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird; b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit zwei alternierenden Frequenzen als Eingangssignal eingespeist wird; c) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird; d) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in den beiden Frequenzen analysiert wird; und e) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt auf die Zustände „FREI", „BELEGT" und „GESTÖRT" geprüft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Ausgangssignal dreikanalig analysiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, beim dem das Ausgangssignal zumindest in zwei Kanälen bandpass-gefiltert wird, wobei die Durchlassfrequenzen der Bandpässe den beiden Frequenzen des Eingangssignals im wesentlichen entsprechen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem in einem ersten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade gesendeten Eingangssignals analysiert wird, in einem zweiten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade nicht gesendeten Eingangssignals analysiert wird und in einem dritten Kanal das Frequenzspektrum des Ausgangssignals analysiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Gleisfreimeldung von zwei benachbarten Abschnitten einer Gleisstrecke in den beiden Abschnitten nur eine Frequenz des Ein- gangssignals übereinstimmt und die jeweils andere Frequenz voneinander abweicht, wobei die jeweils gerade gesendete Frequenz in den benachbarten Abschnitten ebenfalls voneinander abweichend eingestellt wird.
7. System zur Gleisfreimeldung eines Abschnitts einer Gleisstrecke, umfassend: a) einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang, dessen Länge die Abschnittlänge definiert; b) einen Sender, der an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit zwei alternierenden Frequenzen als Eingangssignal in den Schienenstrang eingespeist; c) einen Empfänger, mit dem am anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird; d) eine Analyseeinrichtung, mit der das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in den beiden Frequenzen analysiert wird; und e) einer Logikeinrichtung, mit der in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.
8. System nach Anspruch 7, bei dem der Abschnitt auf die Zustände „FREI", „BELEGT" und „GESTÖRT" prüfbar ist.
9. System nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Ausgangssignal drei- kanalig analysierbar ist.
10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, beim dem das Ausgangssignal zumindest in zwei Kanälen bandpass-gefiltert wird, wobei die Durchlassfrequenzen der Bandpässe den beiden Frequenzen des Eingangssignals im Wesentlichen entsprechen.
11. System nach Anspruch 10, bei dem in einem ersten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade gesendeten Eingangssignals analysierbar ist, in einem zweiten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade nicht gesendeten Eingangssignals analysierbar ist und in einem dritten Kanal das Frequenzspektrum des Ausgangssignals analysierbar ist.
12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, bei dem zur Gleisfreimeldung von zwei benachbarten Abschnitten einer Gleisstrecke in den beiden Abschnitten nur eine Frequenz des Eingangssignals übereinstimmt und die jeweils andere Frequenz voneinander abweicht, wobei die jeweils gerade gesendete Frequenz in den benachbarten Abschnitten ebenfalls voneinander abweichend einstellbar ist.
EP07818881.0A 2006-10-30 2007-10-10 Verfahren und einrichtung zum auswerten von messdaten in eisenbahngleisstromkreisen Not-in-force EP2084048B1 (de)

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