EP2269887A1 - Verfahren zur Ermittlung von kurzwelliger Gleislagegeometrie und der Schieneneinsenkungen unter Last - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von kurzwelliger Gleislagegeometrie und der Schieneneinsenkungen unter Last. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein ortsäquidistantes, formtreues, vertikales Gleislagesignal in einen kurzwelligen Anteil und einen langweiligen Anteil zerlegt wird und für die verzerrungsfreie Trennung ein Filterpaar bestehend aus einem FIR-Hoch-und einem FIR-Tiefpassfilter verwendet wird, wobei beide Filter linearen Phasengang aufweisen und die gleiche Filterordnung haben oder für eine verzerrungsfreie Trennung ein FIR-Filter mit nichtlinearer Phase oder ein llR-Filter verwendet wird, wobei die Filtergrenzfrequenzen sowie die Filtersteilheit aus den gemessenen Gleislagesignalen ermittelt werden, welche langweilige und kurzweilige Gleislageabweichungen enthalten, wobei dies vorzugsweise mittels Spektralanalysen im Orts-Frequenz-Bereich erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von kurzwelliger Gleislagegeometrie und der Schieneneinsenkungen unter Last, wobei die kurzwellige geometrische Gleislage von einem Schienenfahrzeug aus zu erfassen und vom Einfluss der Radsatzlast zu trennen ist.
• Die Instandhaltung der Gleise erfolgt anhand geometrischer Größen. Für die Inspektion der Abweichung des Gleises von seiner idealen Lage werden spezielle Inspektionsfahrzeuge verwendet. Wegen der verwendeten Messverfahren können die derzeitigen, sich im Einsatz befindenden, Inspektionsfahrzeuge nur langwellige Fehlerformen unter Last mit der erforderlichen Genauigkeit erfassen.
• Bei der Inspektion von Weichen, Schienenauszüge und Schienenschweißstöße sind jedoch kurzwellige geometrische Abweichungen maßgebend. Daher werden diese Gleiskomponenten manuell geprüft ohne Last. Meist kommen hier Lineale, Lehren, etc. zum Einsatz.
• Für die Erfassung kurzwelliger geometrischer Abweichungen aus dem Fahrzeug sind optische Messverfahren bekannt. Weiterhin sind auch Messsysteme bekannt, welche die kurzwellige Gleisgeometrie indirekt über gemessene Radsatzlager-Beschleunigungen erfassen und diese direkt bewerten oder die Radsatzlagerbeschleunigungen in eine vertikale Gleislageabweichung umrechnen.
• Bekannt ist eine Vorrichtung zur Messung von wellenförmigen Deformierungen der Schienenrolloberfläche eines Schienenweges, wobei eine Wellenlänge aus einem ausgewählten Bereich von Wellenlängen ausgewählt wird, eine Messung mittels eines Rollwagens und Sensoren durchgeführt, die Signale verarbeitet, die Tiefe der Deformation bestimmt und ein bestimmtes Verhältnis gesetzt wird ( DE 30 08 440 C2 ).
• Aus der DE 39 13 159 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von wellenförmigen Deformationen an wenigstens einer Schienenoberseite (Schienenlauffläche) eines Schienenweges bekannt, wobei beim Durchfahren einer Messstrecke mit Hilfe zweier Sensoren und einer elektronischen Auswerteeinheit bei allen vorkommenden Wellenlängen und Wellenkonfigurationen eine sehr genaue Bestimmung der Welligkeit der Schienenoberflächen erreicht wird. Die Erzeugung der die Höhendifferenz darstellenden Ausgangssignale erfolgt dabei auf lichtoptischem und/oder elektronenoptischem und/oder elektronischen Wege.
• Die DE 34 44 723 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen der Gleisgeometrie mit einem Laser, der auf einem schienenfahrbaren Fahrzeug angeordnet ist.
Nachteile des Standes der Technik:
• Die manuelle Prüfung ist mit einem erheblichen zeitlichen und personellen Aufwand verbunden. Zudem müssen bei der manuellen Inspektion Sicherheitsvorkehrungen zum Arbeitsschutz und Schutz des Bahnbetriebes getroffen werden wie z.B. Sicherungsposten oder Streckensperrungen.
• Optische Messsysteme in Schienenfahrzeugen erfordern einen hohen Wartungsaufwand an der Messtechnik (Verschmutzung) und sind daher nicht für einen automatisierten Einsatz geeignet.
• Die indirekte Beurteilung der kurzwelligen Gleisgeometrie anhand gemessener Beschleunigungen hängt von mehreren Randbedingungen ab wie z.B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Fehleramplitude und Fehlerlänge, so dass kein eindeutiger Rückschluss auf die kurzwellige Gleisgeometrie möglich ist.
• Werden gemessene Beschleunigungen in eine formtreue Gleisgeometrie umgerechnet, dann ist darin wie bei allen Messsystemen auf Schienenfahrzeugen der Einfluss der Radsatzlast mit enthalten.
• Um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die kurzwellige geometrische Gleislage von einem Schienenfahrzeug aus zu erfassen und vom Einfluss der Radsatzlast zu trennen. Der Anteil ohne den Einfluss der Radsatzlast ist mit der manuellen Inspektion vergleichbar. Der verbleibende Anteil entspricht den langwelligen Gleislageabweichungen, welche sich aus langwelligen Gleislagestörungen und der Schieneneinsenkung unter dem Einfluss der Radsatzlast ergeben.
• Hierzu werden zwei Auswerteverfahren beschrieben, welche auf ortsäquidistante, formtreue vertikale Gleislagesignale angewendet werden, um diese in kurzwellige und langwellige Anteile aufzuteilen.
• Für die Aufteilung nach Verfahren 1 können Filter verwendet werden, welche das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal im Ortsbereich filtern. Der unabhängige, getrennte Entwurf der beiden Filter welche den langwelligen Anteil und den kurzwelligen Anteil liefern sind nicht geeignet, da diese Filter neben unterschiedlichen Amplitudengängen auch unterschiedliche Phasengänge aufweisen und somit bei der Trennung der Signalanteile wesentliche Informationen verloren gehen.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren 1 kommen daher zwei aufeinander abgestimmte Filter zum Einsatz, bei dem der Hochpass-Filter mit bekannten Filterentwurfstechniken entwickelt wird. Die Filtergrenzfrequenzen im Ortsbereich sowie die Filtersteilheit werden aus gemessenen Gleislagesignalen ermittelt, welche langwellige und kurzwellige Gleislageabweichungen enthalten. Dies erfolgt beispielsweise mittels Spektralanalysen im Orts-Frequenz-Bereich.
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren 1 wird im ersten Schritt ein FIR-Hochpass-Filter (HP-Filter) mit der ermittelten Grenzfrequenz und Filtersteilheit mit linearem Phasengang entworfen. Der Filterentwurf liefert die Filterkoeffizienten b_k,HP.
• Die Anwendung des FIR-Hochpass-Filters auf das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] ergibt den kurzwelligen Anteil z_KW[n].
• FIR-Filter: $$z_{\mathit{KW}}\left[n\right]={\displaystyle \sum _{k=-N}^N{b}_{k,\mathit{HP}}}\cdot z\left[n-k\right]$$

  
• Bei FIR-Filter mit linearem Phasengang können die Filterkoeffizienten b_k,TP des entsprechenden Tiefpass-Filters direkt bestimmt werden. $$b_{k,\mathit{TP}}=b_{k,\mathit{AP}}-b_{k,\mathit{HP}}$$

  
• Wobei die Filterkoeffizienten b_k,AP des Allpass-Filters folgender maßen definiert sind: $$b_{k,\mathit{AP}}=\{\begin{array}{c}1;k=0\\ 0;k\ne 0\end{array}$$

  
• Die Anwendung des Tiefpass-Filters auf das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] ergibt den langwelligen Anteil z_LW[n]. $$z_{\mathit{LW}}\left[n\right]={\displaystyle \sum _{k=-N}^N{b}_{k,\mathit{TP}}}\cdot z\left[n-k\right]$$

  
• Da in diesem Fall die Ordnung des Hochpass-Filters gleich der Ordnung des Tiefpass-Filters ist und zugleich beide Filter linearen Phasengang haben, ergibt sich für beide Filter die gleiche Gruppenlaufzeit. Das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] wurde ohne Informationsverlust in die beiden Anteile z_KW und z_LW erlegt. $$z={\mathit{z}}_{\mathit{KW}}\mathit{+}{\mathit{z}}_{\mathit{LW}}$$

  
• Für den Fall, dass im ersten Schritt ein FIR-Hochpass-Filter mit nicht linearer Phase oder ein IIR-Hochpass-Filter verwendet wurde, wird nach Verfahren 2 das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] hochpassgefiltert.
• Die Anwendung des Hochpass-Filters auf das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] ergibt den kurzwelligen Anteil z_KW[n].
• Bei FIR-Filter: $$z_{\mathit{KW}}\left[n\right]={\displaystyle \sum _{k=-N}^N{b}_{k,\mathit{HP}}}\cdot z\left[n-k\right]$$

  
• Bei IIR-Filter: $$z_{\mathit{KW}}\left[n\right]={\displaystyle \sum _{k=0}^N{b}_{k,\mathit{HP}}}\cdot z\left[n-k\right]-{\displaystyle \sum _{k=0}^M{a}_{k,\mathit{HP}}}\cdot z\left[n-k\right]$$

  
• Den langwelligen Anteil z_LW[n] von z[n] erhält man durch Subtraktion von z_KW[n] von z[n]. $${\mathit{z}}_{\mathit{LW}}\left[n\right]=z\left[n\right]-{\mathit{z}}_{\mathit{KW}}\left[n\right]$$

  
• Damit die Aufteilung des ortsäquidistanten formtreuen vertikalen Gleislagesignals z[n] ohne Informationsverlust erfolgen kann, darf der kurzwellige Anteil z_KW[n] gegenüber dem Signal z[n] keine Phasenverzerrung aufweisen. Dies wird erreicht, indem das Hochpass-Filter zweimal auf das Signal z[n] angewendet wird, wobei bei der zweiten Filterung die Signalreihenfolge umgekehrt wird.
• Durch die Subtraktion wurde das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] ohne Informationsverlust in die beiden Anteile z_KW und z_LW erlegt. $$z={\mathit{z}}_{\mathit{KW}}\mathit{+}{\mathit{z}}_{\mathit{LW}}$$

  
Ausführungsbeispiel:
• Anhand eines Ausführungsbeispieles soll nachfolgend die Anwendung des beschriebenen Verfahrens näher erläutert werden.
• Dabei zeigen:
• Figur 1: einen Signalflussgrafen eines Hochpassfilters mit z als Eingangssignal und z_KW als Ausgangssignal
• Figur 2: die Amplitudengänge der HP-, und TP-Filter
• Figur 3: den Amplitudengang eines Allpass-Filters
• Figur 4: einen Signalflussgrafen für die Aufteilung der Gleislagegeometrie in kurzwellige und langwellige Anteile wobei FIR-Filter mit gleicher Filterordnung und linearen Phasengängen verwendet werden
• Figur 5: einen Signalflussgraph der Subtraktion z_KW von z
• Figur 6: den Amplituden- und Phasengang des Butterworth-Hochpassfilters
• Figur 7: die vertikalen Gleislageabweichungen z[n], z_KW[n] und z_LW[n] eines Weichenherzstückes im Ortsbereich
• Figur 8: den Vergleich einer manuellen Messung an einem Weichenherzstück mit dem ermittelten kurzwelligen Anteil z_KW[n] einer Messung aus einem Regelzug
• Als Eingabe dient ein ortsäquidistantes formtreues vertikales Gleislagesignal z[n] welches aus gemessenen Radsatzlager-Beschleunigungen berechnet wurde (Verfahren nach Schutzrechtsanmeldung DE 10 2008 062 143.9 ). Das äquidistante Ortsinkrement beträgt 0,2 m. Die Achslagerbeschleunigungen wurden unter einer Last von ca. 7 t gemessen. Das Signal zeigt die vertikale Geometrie eines Weichenherzstückes unter Last. Dieses Signal wird in den kurzwelligen Anteil, der Geometrie des Herzstückes entsprechenden Anteil, und den langwelligen Anteil, der Schieneneinsenkung unter Last (= Größe der Hohllage und langwellige Gleislageabweichung unter dem Weichenherzstück), zerlegt.
• Im ersten Schritt wird ein Hochpass-Filter entworfen. Im Anwendungsbeispiel kommt ein Butterworth-Filter sechster Ordnung zum Einsatz. Die 3dB-Eckfrequenz beträgt 1/3m, so dass Wellenlängen größer 3 m aus dem Signal z[n] herausgefiltert werden. Hierbei handelt es sich um ein IIR-Filter mit nichtlinearer Phase (Verfahren 2). Die Filterkoeffizienten b_k,HP und a_k,HP wurden wie folgt bestimmt.
• b_0,HP = 0.490231200703569
• b_1,HP = -2.941387204221414
• b_2,HP = 7.353468010553535
• b_3,HP = -9.804624014071381
• b_4,HP = 7.353468010553535
• b_5,HP = -2.941387204221414
• b_6,HP = 0.490231200703569
• a_0,HP = 1.000000000000000
• a_1,HP = -4.585886346766142
• a_2,HP = 8.895035945278623
• a_3,HP = -9.319068686462629
• a_4,HP = 5.552670292723525
• a_5,HP = -1.781808943261143
• a_6,HP = 0.240326630536351
• Figur 6 zeigt den Amplituden- und Phasengang des Butterworth-Hochpassfilters.
• Das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n] wird mit dem HP-Filter zweimal gefiltert, wobei bei zweiten Filtern die Signalreihenfolge umgekehrt wird und somit die Phasenverzerrung des HP-Filters vollständig kompensiert wird. Dieses hochpassgefilterte Signal ist die kurzwellige Gleisgeometrie im Herzstückbereich ohne Last.
• Da der, im ersten Schritt verwendete, Butterworth-Hochpass-Filter einen nichtlinearen Phasengang hat, wird der langwellige Anteil z_LW[n] von z[n] durch Subtraktion ermittelt. Hierzu wird der kurzwellige Anteil z_KW[n] vom ortsäquidistanten formtreuen vertikalen Gleislagesignal z[n] subtrahiert. Als Ergebnis erhält man den langwelligen Anteil z_LW[n]. Dieser Anteil entspricht der Schieneneinsenkung unter dem Einfluss der Radsatzlast und entspricht der Größe der Hohllage und der langwelligen Gleislageabweichung unter dem Weichenherzstück.
• In Figur 7 sind im Ortsbereich dargestellt:
• im oberen Teil: das ortsäquidistante formtreue vertikale Gleislagesignal z[n]
• im mittleren Teil: der kurzwellige Anteil z_KW[n] von z[n]
• im unteren Teil: der langwellige Anteil z_LW[n] von z[n]
• In Figur 8 ist der Vergleich einer manuellen Messung an einem Weichenherzstück mit dem ermittelten kurzwelligen Anteil einer Messung aus einem Regelzug gegenübergestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur verzerrungsfreien Trennung formtreuer Gleislagegeometrie in kurzwellige und langwellige Anteile ohne Informationsverlust
   gekennzeichnet dadurch, dass
   ein ortsäquidistantes, formtreues, vertikales Gleislagesignal in einen kurzwelligen Anteil, der Geometrie ohne Last entsprechend, und einen langwelligen Anteil, entsprechend der Einsenkung der Schiene unter Last mit langwelliger Gleislageabweichungen, zerlegt wird und für die verzerrungsfreie Trennung Filter im Ortsbereich verwendet werden und im ersten Schritt ein Filter mit bekannten Filterentwurfstechniken entworfen wird, wobei die charakteristische Filtergrenzfrequenz sowie die Filtersteilheit zuvor aus den gemessenen Gleislagesignalen ermittelt werden, welche langwellige und kurzwellige Gleislageabweichungen enthalten, wobei dies vorzugsweise mittels Spektralanalysen im Orts-Frequenz-Bereich durchgeführt wird und abhängig vom gewählten Filtertyp, sowie des Phasengangs des Filters die Aufteilung des ortsäquidistanten, formtreuen, vertikalen Gleislagesignals erfolgt und bei der Verwendung eines FIR-Filters mit linearen Phasengang das zweite Filter ebenfalls linearen Phasengang und die gleiche Filterordnung wie das erste Filter hat und aus den Filterkoeffizienten des ersten Filters berechnet wird und durch die Anwendung der beiden Filter das ortsäquidistante, formtreue, vertikale Gleislagesignal ohne Informationsverlust in einen kurzwelligen und einen langwelligen Anteil aufgeteilt wird
   oder
   bei Verwendung eines FIR-Filters mit nichtlinearen Phasengang oder eines IIR-Filters für die verzerrungsfreie Trennung des ortsäquidistanten, formtreuen, vertikalen Gleislagesignals in einen kurzwelligen und einen langwelligen Anteil das Gleislagesignal gefiltert und eine Phasenverzerrung durch eine zweite Filterung mit dem selben Filter und umgekehrter Signalreihenfolge vollständig kompensiert wird, die charakteristische Filtergrenzfrequenz sowie die Filtersteilheit zuvor aus den gemessenen Gleislagesignalen ermittelt werden, welche langwellige und kurzwellige Gleislageabweichungen enthalten, wobei dies vorzugsweise mittels Spektralanalysen im Orts-Frequenz-Bereich erfolgt und abhängig von der Wahl des Filters der langwellige bzw. der kurzwellige Anteil des Gleislagesignals ermittelt wird, wobei der zugehörige zweite kurzwellige bzw. langwellige Anteil durch Subtraktion des zweifach gefilterten Gleislagesignals von der ursprünglichen Gleislage ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der kurzwellige Anteil des Signals der Überlaufgeometrie von Weichen, Schienenauszügen, Isolierstößen entspricht und bewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der langwellige Anteil des Signals der Schieneneinsenkung unter Last und der langwelligen Gleislageabweichung entspricht und bewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die ortsäquidistanten, formtreuen, vertikalen Gleislagesignale durch Messungen von Gleislageinspektionsfahrzeugen ermittelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die ortsäquidistanten, formtreuen, vertikalen Gleislagesignale durch Messungen von Fahrzeugen im Regelbetrieb ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die ortsäquidistanten, formtreuen, vertikalen Gleislagesignale durch manuelle Messungen ermittelt werden.

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