EP2305532B1 - Verfahren zur automatischen Synchronisierung von Gleislagemessungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Synchronisierung von Gleislagemessungen im Eisenbahnverkehr.
• Die Eisenbahninfrastruktur stellt die Grundlage für einen sicheren Eisenbahnbetrieb dar. Damit das hohe Maß an Sicherheit gewährleistet werden kann, sind umfangreiche Instandhaltungsmaßnahmen nötig. Der Inspektion der Gleislagegeometrie kommt hier eine besondere Bedeutung zu. Häufig wird die Inspektion der Gleislage mit speziellen Messfahrzeugen durchgeführt. Die gewonnenen Messergebnisse werden mit Grenzwerten verglichen. Aus dem Vergleich werden Instandsetzungsmaßnahmen abgeleitet und durchgeführt. Die Messergebnisse der Gleislageinspektionen werden in Datenbanken abgespeichert. Mit speziellen Programmen besteht die Möglichkeit, sich die Messergebnisse einzelner Inspektionsfahrten anzeigen zu lassen. Hierbei können auch mehrere Ergebnisse von unterschiedlichen Inspektionsfahrten des gleichen Streckenabschnittes zu unterschiedlichen Inspektionszeiten dargestellt werden. Aus dieser Darstellung kann ein Fachmann die Entwicklung von Gleislageabweichungen verfolgen und hieraus mittel- und langfristige Instandhaltungsmaßnahmen planen und durchführen. Da die Ergebnisse unterschiedlicher Inspektionsfahrten des gleichen Streckenabschnittes zu unterschiedlichen Inspektionszeiten örtlich bis zu 100 m verschoben sind, ist eine automatisierte Aus- und Bewertung der Ergebnisse nicht möglich. Zudem sind die örtlichen Inkremente nicht immer konstant, so dass zusätzlich eine Verzerrung der Messung entsteht. Dieser örtliche Versatz sowie die Verzerrung entstehen, da die Wegmessung üblicherweise mittels Radimpulsen erfolgt. Durch verschleißbedingte Abnahme der Raddurchmesser, Schlupf beim Bremsen und Beschleunigen sowie aufgrund von Reib- und Witterungsverhältnissen sind diese Abweichungen nicht zu vermeiden.
Nachteile des Standes der Technik:
• Bei dem derzeitigen Stand der Technik besteht zwar die Möglichkeit, dass die Ergebnisse von unterschiedlichen Inspektionsfahrten manuell miteinander verglichen werden können, eine automatisierte Aus- und Bewertung ist jedoch nicht möglich.
• Für eine automatische Aus- und Bewertung müssen die Ergebnisse der Inspektionen synchronisiert vorliegen, damit Veränderungen und Veränderungsgeschwindigkeiten berechnet werden können. Beim Stand der Technik sind die Gleislagemessungen zueinander örtlich verschoben. Zusätzlich sind Abweichungen bei den Abtastschritten nicht auszuschließen, weshalb die Gleislagesignale zueinander zusätzlich gestaucht bzw. gestreckt sind. Des Weiteren liegen die Messwerte an unterschiedlichen örtlichen Punkten vor. Dies ist besonders problematisch, da bei längeren Messfahrten der Versatz sowie die Verzerrung bzw. Stauchung/Streckung nicht konstant über die gesamte Länge der Messfahrt sind. Somit ist auch eine manuelle, nachträgliche Synchronisation nicht möglich. Aus den oben genannten Gründen können die Ergebnisse der Inspektionsfahrten nicht manuell miteinander synchronisiert werden.
• Für die Verfolgung von Veränderungen der Gleislage wird daher häufig auf abschnittsweise statistische Größen zurückgegriffen und diese werden miteinander verglichen. Beispielsweise werden Abschnitte mit 250 m Länge verwendet und für die einzelnen Messkanäle - Gleislageparameter - die Standardabweichungen bestimmt. Mit dieser Vorgehensweise kann die Veränderung der Gleislagequalität bewertet werden, die zeitliche Veränderung von einzelnen Störstellen - Gleislageabweichungen - ist mit dieser Vorgehensweise jedoch nicht möglich.
• Für die Verfolgung der Veränderung von Einzelstörstellen müssen die Ergebnisse der Inspektionsfahrten genau miteinander synchronisiert werden.
• Vielfach wird versucht mittels GPS und DGPS die örtliche Zuordnung der Messwerte zum Streckenkilometer zu verbessern. Für eine automatische Verfolgung der Entwicklung der Gleislage und auch von Einzelstörstellen sind diese Verbesserungen nicht ausreichend, da die Genauigkeit der GPS-Ortung nicht ausreichend ist und die Abweichungen in den Abtastschritten auch mit einer genauen Ortung nicht kompensiert werden können. Eine automatische Verfolgung von Einzelstörstellen ist nach wie vor nicht möglich.
• Aus der DE 10 2006 043 043 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen von Schienen-Fahrwegen, insbesondere im Bereich von temporären Tragsystemen für den Gleiskörper mit den Verfahrensschritten:
• laufendes sensorisches Erfassen von Ortsdaten der Gleisgeometrie im überwachten Bereich,
• Auswerten der erfassten Ortsdaten hinsichtlich der Befahrbarkeit und/oder der maximal zulässigen Überfahrgeschwindigkeit des Schienenfahrweges im überwachten Bereich und
• Ausgeben der ausgewerteten Daten sowie Ansteuern von optischen und/oder akustischen Anzeigen und/oder von Regelsystemen.
• Es wird ein stationäres System zur Überwachung der Gleislage beschrieben, welches vorrangig bei Baustellen zum Einsatz kommt. Es erfolgt keine Synchronisation der Messdaten.
• Die EP 1 213 202 B2 beschreibt ein Verfahren zur Abbildung des Gleiszustandes über Signale aus verschiedenen, an Rädern und Drehgestellen befestigten Sensoren, die einer Auswerteeinheit zugeführt und an eine Leitstelle übertragen werden, wo sie zu einem Abbild des Gleiszustandes zusammengefügt werden. Auch hier erfolgt keine Synchronisation der Messdaten.
• Des Weiteren sind aus der US 5.579.013 A1 und der US 6.044.698 A1 weitere Verfahren zur Ermittlung von Gleislagefehlern ohne Synchronisation der Messdaten bekannt.
• In US 2009/0070064 A1 ist ein Verfahren beschrieben, welches aus mehreren Messungen der vertikalen Gleislageabweichungen einen Trend ermitteln kann. Für kurze Abschnitte, kleiner 100 m, werden die vertikalen Gleislageabweichungen mittels Korrelationsverfahren übereinander gelegt. Hierbei wird vorausgesetzt, dass sich die vertikalen Gleislageabweichungen, Einzelfehler, in vertikaler Richtung nur geringfügig ändern und somit eine Korrelationsfunktion bestimmt werden kann. Des Weiteren muss vorausgesetzt werden, dass die örtliche Abtastrate für jede Messung konstant und gleich ist. Werden Gleislageabweichungen im Zuge von Instandsetzungsmaßnahme beseitigt, kann dieses Verfahren nicht eingesetzt werden und eine Trendentwicklung ist nicht möglich. Zudem ist eine automatische Trendberechnung nicht möglich, da trotz konstanter örtlicher Abtastraten die Messwerte unterschiedlicher Messungen an unterschiedlichen Orten befinden.
• Aus der US 2004/0204882 A1 ist eine Methode bekannt, welche gemessene Gleislagedaten ('measured track data'- MTD) einer bekannten Trassierung zuordnet (,track geographic data' - TGD). Ziel ist, dass jede Gleislageabweichung ihrem geografischen Ort ('geographic location') zugeordnet wird. Es werden im Wesentlichen die Krümmungsinformationen sowie das Messsignal der gegenseitigen Höhenlage ermittelt. Eine abtastpunktgenaue Synchronisation von einzelnen Gleislagemessungen erfolgt nicht. Eine automatische Bewertung der Entwicklung von Gleislageabweichungen ist mit diesem Verfahren nicht möglich. Des Weiteren wird angenommen, dass der Wegversatz für die gesamte Messung einer Strecke konstant ist bzw. dass das Ortsinkrement einen konstanten Offset aufweist. Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall, weswegen dieses Verfahren nicht eingesetzt werden kann. Eine automatische Trendentwicklung kann nicht erstellt werden, da trotz konstanter örtlicher Abtastraten, die Messwerte unterschiedlicher Messungen sich an unterschiedlichen Orten befinden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messergebnisse von Inspektionsfahrten zueinander so zu synchronisieren, sodass als Ergebnis synchronisierte Messergebnisse zur Verfügung stehen, die eine automatische Aus- und Bewertung der Ergebnisse ermöglichen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass mittel- und langfristige Instandhaltungsmaßnehmen automatisch aus den Gleislagemessungen und der zeitlichen Entwicklung von Gleislagestörungen abgeleitet werden können.
• Dies wird erfindungsgemäß durch den Inhalt des Patentanspruches 1 gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im ersten Schritt die Ergebnisse einer Inspektionsfahrt ausgewählt, die als Referenzmessung dienen. Da die ortsabhängigen Abtastschritte Δx einer Inspektionsmessung nicht konstant sind, werden die Messwerte für neue ortsäquidistante x-Koordinaten berechnet. Die neuen Ortskoordinaten (x-Koordinaten) werden bestimmt, indem der Streckenabschnitt zwischen Beginn und Ende der Inspektionsfahrt - Referenzmessung - in der Weise neu berechnet werden, so dass ortsäquidistante x-Koordinaten entstehen. Die zugehörigen Messwerte (y-Koordinate) lassen sich mittels Interpolationsrechnung ermitteln. Hier können lineare als auch nichtlineare Interpolationsverfahren verwendet werden. Dieser Schritt wird für alle Messkanäle einer Messfahrt durchgeführt. Die so örtlich bearbeiteten Messdaten der Inspektionsfahrt dienen als Referenzmessung. Alle weiteren Inspektionsfahrten werden mit dieser Referenzmessung synchronisiert.
• Um die örtliche Verschiebung und Verzerrung der Messdaten aus der Inspektionsfahrt zu bestimmen werden folgende Schritte bearbeitet. Die Referenzmessung sowie die zu synchronisierenden Messungen werden in, sich zur Hälfte überlappende, Abschnitte von beispielsweise 100 m Länge unterteilt. Je nach Anwendung sind auch andere Abschnittslängen denkbar. Für jeden dieser, sich überlappenden, Abschnitte wird die Kreuzkorrelationsfunktion Φ berechnet. $${\mathrm{\Phi }}_{y_{\mathit{ri}}{y}_{\mathit{si}}}\left[k\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{x}\right]=\frac{1}{N}{\displaystyle {\displaystyle \sum _{n=1}^N}}\left(y_{\mathit{ri}}\left[n\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{x}\right]-\overline{y_{\mathit{ri}}}\right)\cdot \left(y_{\mathit{si}}\left[n-k\right]\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{x}-\overline{y_{\mathit{si}}}\right)$$

  

  $$\overline{y_{\mathit{ri}}}=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{n=1}^N}{y}_{\mathit{ri}}\left[n\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{x}\right]$$

  

  $$\overline{y_{\mathit{si}}}=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{n=1}^N}{y}_{\mathit{si}}\left[n\cdot \mathrm{\Delta }\mathit{x}\right]$$

  
• Der Ort des Maximums der berechneten Kreuzkorrelationsfunktion Φ gibt die örtliche Verschiebung der beiden Abschnitte y_ri und y_si zueinander an. Diese örtliche Verschiebung wird für jedes, sich überlappendes Abschnittspaar ermittelt. Aus den örtlichen Verschiebungen aller Abschnitte y_si zum jeweiligen Abschnitt y_ri der Referenzmessung wird mittels Interpolationsverfahren der km-Offset berechnet. Da der Kilometeroffset im Allgemeinen nicht linear ist, ergibt sich neben der örtlichen Verschiebung auch automatisch die Verzerrung bzw. Streckung und Stauchung, welche über die gesamte Messung nicht linear sind. Der so ermittelte km-Offset wird für alle Messkanäle der zu synchronisierenden Messungen verwendet.
• Zuletzt werden für jeden Messkanal die Messpunkte an den Stellen der Referenzmessung mittels Interpolationsverfahren berechnet. Hier können lineare als auch nichtlineare Interpolationsverfahren verwendet werden.
• Die Inspektionsmessung wurde mit der Referenzmessung synchronisiert. Die einzelnen Messpunkte liegen im Bezug auf die x-Koordinate, abtastpunktgenau übereinander. Eine automatisch Aus- und Bewertung ist nun möglich.
• Für die Referenzmessung und die zu synchronisierenden Messungen wird eine örtliche Abtastung von 0,10 m gewählt.
Ausführungsbeispiel:
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
• Als Ausführungsbeispiel dienen zwei Messungen aus Inspektionsfahrten zur Gleislageinspektion bei der Deutschen Bahn AG. Bei diesen Inspektionsfahrten werden folgende Gleislageparameter gemessen:
• die Längshöhen der linken und rechten Schiene - z_links und z_rechts,
• die Richtungsabweichungen der linken und rechten Schiene - y_links und y_rechts,
• die Spurweite - sp,
• die Krümmung _- kr,
• die gegenseitige Höhenlage - gh.
• Das verwendete Gleiskoordinatensystem ist in Abbildung 1 dargestellt.
• Die Synchronisation erfolgt in der Weise, dass auch beliebig viele weitere Messkanäle synchronisiert werden können. Wurde die Referenzmessung, wie im Folgenden beschrieben, aufbereitet, lassen sich beliebig viele Inspektionsmessungen mit der Referenzmessung synchronisieren. Zur Verdeutlichung der Vorgehensweise wird im Anwendungsbeispiel eine Inspektionsmessung mit der Referenzmessung synchronisiert.
• Die Figur 2 zeigt einen Abschnitt mit 100m Länge der Spurweite. Die örtliche Verschiebung der Messung 1 gegenüber der Messung 2 ist deutliche zu erkennen. Diese beträgt ca. 30 m.
• Im ersten Schritt wird eine Inspektionsmessung so aufbereitet, so dass die Messwerte fest definierten Streckenkilometern zugeordnet werden können und dass sich ein konstanter Abtastschritt von beispielsweise 0,10 m ergibt, andere Abtastschritte sind ebenfalls möglich. Diese Aufbereitung geschieht, indem man den Streckenabschnitt zwischen dem ersten und dem letzten Messpunkt in ortsäquidistante Inkremente gleichmäßig aufteilt. Da die so bestimmten neuen Ortskoordinaten nicht den ursprünglichen entsprechen, müssen die Messwerte an den neuen Ortskoordinaten berechnet werden. Dies erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels Interpolation mit kubischen Splines. Im Allgemeinen können auch lineare Interpolationsverfahren verwendet werden. Für alle Messkanäle der Referenzmessung werden die entsprechenden Messwerte auf die oben beschriebene Methode neu berechnet.
• Als Ergebnis des ersten Schrittes liegen alle Messpunkte aller Kanäle der Referenzmessung auf fest definierten Streckenkilometern (x-Koordinaten) vor. Abweichungen der Abtastschritte wurden im ersten Schritt ebenfalls korrigiert.
• Im zweiten Schritt werden die weiteren Inspektionsmessungen auf die Referenzmessung synchronisiert. Dies geschieht in der Weise, dass jeweils ein Messkanal aus der Referenzmessung und der entsprechende Kanal aus der zu synchronisierenden Inspektionsmessung ausgewählt werden. Im Anwendungsbeispiel wurde die Spurweite ausgewählt, da sich die Spurweite im Vergleich zu den anderen Gleislageparametern weitaus langsamer verändert als beispielsweise die Längshöhen oder die Richtungsabweichungen. Die gesamte Messung wird in Abschnitte von 100 m Länge unterteilt, hierbei überlappen sich die einzelnen Abschnitte je zur Hälfte, also 50 m. Für jeden Abschnitt, mit der Spurweite der Referenzmessung und dem entsprechenden Abschnitt der zu synchronisierenden Inspektionsmessung, wird die Kreuzkorrelationsfunktion Φ berechnet und normiert.
• Figur 3 zeigt die Kreuzkorrelationsfunktion für einen Abschnitt.
• Die Position des Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion gibt die Verschiebung der ausgewählten Abschnitte zueinander an. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Verschiebung 29,6 m. Für jedes Abschnittspaar wird auf diese Weise die gegenseitige Verschiebung berechnet. Aus den Verschiebungen aller Abschnitte der gesamten Inspektionsfahrt wird der Offset der Kilometrierung bestimmt. Da die Verschiebung der einzelnen Abschnitte unterschiedlich sein kann, wird die Kilometerkorrektur mittels nichtlinearer Interpolation (Spline-Interpolation) bestimmt. Da die Verschiebung der einzelnen Abschnitte unterschiedlich ist, wird auf diese Weise automatisch die Verzerrung bzw. die Streckung und Stauchung der Signale bestimmt.
• Figur 4 zeigt den berechneten Kilometeroffset.
• Der so bestimmte Kilometeroffset wird auf alle Messkanäle, der zu synchronisierenden Messung angewendet.
• Im letzten Schritt werden die Messpunkte aller Messkanäle der zu synchronisierenden Messung an den Kilometerstellen der Referenzmessung berechnet. Dies kann mit Interpolationsverfahren erfolgen. Im Anwendungsbeispiel wurde die Spline-Interpolation verwendet.
• Als Ergebnis erhält man synchronisierte Messungen, bei denen die Abtastschritte korrigiert wurden und die Messpunkte aller Messkanäle aller Messungen an denselben km-Koordinaten liegen.
• Eine automatisierte Weiterverarbeitung ist nun möglich.
• Figur 5 zeigt die synchronisierten Messungen.
Zeichenerklärung / Formelzeichen:

Δx

Ortsinkrement; ortsäquidistante Abtastintervall

Φ_yriysi

Kreuzkorrelationsfunktion eines Abschnittes y_ri der Referenzmessung und dem entsprechenden Abschnitt y_si der zu synchronisierenden Messung

y_ri

Messwerte des Abschnittes i der Referenzmessung y _r

y_si

Messwerte des Abschnittes i der zu synchronisierenden Messung y_s

k

Index der Kreuzkorrelationsfunktion; Verschiebung der Abschnitte y_ri und y_si zueinander

n

Index der Messwerte

y_ri

arithmetischer Mittelwert der Messwerte des Abschnittes i der Referenzmessung y_r

y_si

arithmetischer Mittelwert der Messwerte des Abschnittes i der zu synchronisierenden Messung y_s

i

Abschnittsnummer

N

Anzahl der Messpunkte - Abtastwerte - in einem Abschnitt i

z_links, z_rechts

Längshöhe der linken und rechten Schiene

y_links, y_rechts

Richtungsabweichung der linken und rechten Schiene

sp

Spurweite

kr

Krümmung

gh

Gegenseitige Höhenlage

Claims (11)

1. Verfahren zur automatischen Synchronisierung von Gleisgeometrie-Messdaten,

   • wobei bei unterschiedlichen Inspektionsfahrten entlang einer Gleisstrecke jeweils eine Messung mit mehreren Messkanälen durchgeführt wird,

   • wobei die Messdaten unterschiedlicher Messungen zueinander örtlich verschoben und/oder verzerrt sind und die örtliche Verschiebung und/oder Verzerrung nicht konstant über die gesamte Messung auftritt,

   • wobei die Messung bei einer ersten Inspektionsfahrt als Referenz ausgewählt wird,

   • wobei mit konstanten Abtastschritten voneinander beabstandete Streckenpunkte bestimmt werden,

   • wobei aus den Messdaten der Referenzmessung die Messwerte an den neu berechneten konstanten Streckenpunkten mittels Interpolationsverfahren ermittelt werden und dies für alle Messkanäle der Referenzmessung durchgeführt wird,

   • wobei diese Messwerte als Referenzmesswerte verwendet werden und die Referenzmesswerte jeweils in Abschnitte unterteilt werden,

   • wobei sich die Abschnitte überlappen,

   • wobei die zu synchronisierenden Messdaten einer zweiten Messung bei einer zweiten Inspektionsfahrt ebenfalls in sich überlappende Abschnitte unterteilt werden

   • und für jedes Abschnittspaar eines Messkanals, bestehend aus einem Abschnitt der Referenzmessung und dem entsprechenden Abschnitt der zu synchronisierenden zweiten Messung, die örtliche Verschiebung zueinander mittels eines Maximums der Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Messungen ermittelt wird

   • und aus den örtlichen Verschiebungen aller Abschnittspaare ein Offset, welcher im Allgemeinen nicht linear ist, bestimmt und für alle Messdaten aller Messkanäle der zu synchronisierenden zweiten Messung verwendet wird und somit die Verschiebung und/oder Verzerrung kompensiert werden,

   • und die Messwerte der zu synchronisierenden zweiten Messung an den festgelegten Streckenpunkten berechnet werden

   • und somit die ermittelten Messwerte der ersten Messung und die berechneten Messwerte der synchronisierten zweiten Messung die gleichen Ortskoordinaten besitzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass für die Referenzmessung und die zu synchronisierenden Messungen eine örtliche Abtastung von 0,10 m gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Referenzmessung sowie die zu synchronisierende Messung in Abschnitte von 100 m Länge unterteilt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die Abschnitte für die Bestimmung der Kreuzkorrelationsfunktion jeweils zur Hälfte überlappen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Messungen der Gleislagegeometrie von Eisenbahn-Gleisen miteinander synchronisiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Kreuzkorrelationsfunktionen der einzelnen Abschnitte für die Spurweiten bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass als Offset eine, durch das Verfahren berechnete, relative örtliche Verschiebung, Stauchung und/oder Streckung von der zu synchronisierenden Messung zur Referenzmessung ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Abschnittslängen so gewählt werden, dass sich eine möglichst gute Korrelation zwischen der Referenzmessung und der zu synchronisierenden Messung ergibt und dass die Abschnittslängen länger sind als der Versatz der Referenzmessung zu der zu synchronisierenden Messung.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Referenzmessung so ausgewählt wird, dass die Kreuzkorrelation mit einer zu synchronisierenden Messung einen möglichst großen Kreuzkorrelationskoeffizient ergibt oder dass die älteste oder jüngste Messung als Referenzmessung dient.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die konstante Abtastung derart berechnet wird, so dass ein ortsäquidistantes Inkrement für die gesamte Inspektionsmessung entsteht.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass der ermittelte Offset ein Maßstab für den örtlichen Versatz der Abschnitte zueinander ist.

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