SE515571C2 - Anordning och förfarande för att bestämma positionen för ett spårbundet fordon - Google Patents

Description

. . I - I n m CA m en ' -1 .A konventionella varvräknare kopplade till fordonets hjul. En nack- del med denna metod är att hjulet ibland slirar under drift, exem- pelvis när fordonet bromsas, och detta orsakar mätfel. Andra kända metoder att mäta hastigheten är med Dopplerradarsystem eller med ett nyligen utvecklat korrelationssystem som använder virvelströmsdetektorer. Nackdelen med att integrera hastigheten för att få fram positionen är att de systematiska felen, såsom fel- kalibrerade instrument, också integreras. Detta innebär att fel som från början var små blir stora efter integreringen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en anordning och ett förfarande som med hög tillförlitlighet bestämmer positio- nen för ett spårbundet fordon och som arbetar oberoende av sta- tionära signalsystem anordnade utanför fordonet.

Vad som kännetecknar en anordning och ett förfarande enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Genom att i förväg lagra information, såsom position och känne- tecken, för ett antal topologiska ojämnheter i spåret orsakade av spårkomponenter, exempelvis växlar, skenskarvar och ledskenor längs med fordonets tänkbara färdvägar och att sedan under färd identifiera dessa spårkomponenter, kan fordonets position be- stämmas med hög tillförlitlighet och oberoende av signalsystem anordnade utanför fordonet. Den höga tillförlitligheten bibehålles vid svåra yttre förhållanden, exempelvis i tunnlar.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att anvisa en anord- ning och ett förfarande som med stor noggrannhet bestämmer positionen för ett spårbundet fordon. Ändamålet uppnås genom att fordonets position mellan de detekterade spårkomponenterna interpoleras fram utgående från fordonets integrerade hastighet.

Eftersom avståndet mellan spårkomponenterna i allmänhet är li- tet så är felet i positionen från den integrerade hastigheten för- sumbar. 10 15 20 25 30 35 . » = » 1 e en -\...:: cn.=..f cri" ~ nun-Ä Ändamålet kan också uppnås genom att detektera och räkna skenfästen och utgående från antalet detekterade skenfästen interpolera fram fordonets position mellan de detekterade spår- komponenterna.

FIGURBESKRIVNING Utföringsexempel av anordningen enligt uppfinningen skall här- efter beskrivas med stöd av de bifogade ritningarna.

Figur 1 visar ett spårbundet fordon med ett en anordning för att bestämma fordonets position enligt uppfinningen visat i form av ett blockschema. visar ett skenfåste. visar signalens utseende när en differentialdetektor passerar ett skenfåste.

Figur 2a Figur 2b Figur 3a visar en växel inställd för färd längs med en förgrening av spåret.

Figur 3b visar signalens utseende när detektorn passerar växeln i figur 3a.

Figur 4a visar en växel inställd för färd längs med ett huvudspår.

Figur 4b visar signalens utseende när detektorn passerar växeln i figur 4a.

Figur 5a visar det sparade kännetecknet för att identifiera en växeL Figur 5b visar signalen när fordonet passerar ett antal olika spår- komponenter.

Figur 5c visar resultaten av en korskorrelering mellan det lagrade kännetecknet och signalen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar principen för hur positionen för ett spårbundet for- don 1 bestäms enligt uppfinningen. På fordonet är två detektorer 2a, 2b anordnade på avståndet l från varandra i fordonets färd- riktning. Detektorerna kan exempelvis monteras på boggin. De- 10 15 20 25 30 35 , . _ . l u (fl -J (71 4- ef' ~q ...à tektorerna genererar två signaler s1(t) och s2(t) som är väsentli- gen lika förutom ett tidsskift T som beror av fordonets hastighet v och avståndet l mellan detektorerna, enligt formeln T = I / v.

Signalerna som detektorerna genererar beror av ojämnheter i spåret till exempel orsakade av spårkomponenter anordnade på eller i anslutning till spåret. Exempel på spårkomponenter är växlar, korsningar, spårskarvar och skenfästen.

Vid valet av detektortyp är det viktigt att detektorn klarar olika vädertyper och tål nedsmutsning. Detektorer som uppfyller dessa krav och som är särskilt väl lämpade för att användas för detta ändamål är virvelströmsdetektorer som beröringsfritt registrerar inhomogeniteter i skenområdet genom att detektera förändringar i de lokala elektromagnetiska egenskaperna. Exempel på en dif- ferentialdetektor visas i kapitel 3.1 ett dokument publicerat på lMKEKO-XV World Congress, Osaka, Japan 13-18 juni, 1999 med rubriken ”Non-contact speed and distance measurement of rail vehicles using eddy current sensors". Andra fördelar med vir- velströmsdetektorer av differentialtyp är att deras signaler till en viss grad är oberoende av sidorörelser och avståndsvariationer mellan detektorerna och skenorna. Andra detektortyper är också möjliga att använda t.ex. radardetektorer.

För att kunna detektera och identifiera spårkomponenter räcker det med en signal, men den signalen måste vara rumsberoende, d.v.s. den får inte vara beroende av tågets hastighet. Eftersom signalerna s1(t) och s2(t) är tidsberoende så krävs en övergång till en hastighetsoberoende framställning av åtminstone någon av signalerna. En av signalerna matas till ett skalningsorgan 3 där signalen omvandlas så att den istället blir rumsberoende s(x).

Skalningen utförs enligt ekvationen x = v ' t. För att kunna utföra skalningen behövs kännedom om tågets hastighet v. Hastigheten v erhålles från ett korrelatororgan 4. Signalerna s1(t) och s2(t) matas till korrelatororganet 4 som först beräknar tidsskiftet T mellan signalerna och sedan, utgående från tidsskiftet T, beräk- nar hastigheten v. 10 15 20 25 30 35 » - - | » - štšfš7i nu 5, Det är möjligt att använda bara en detektor om tågets hastighet erhålles på något annat sätt, men ju fler detektorer som används desto bättre kvalitet kan erhållas på signalen vilket i sin tur ger ett robustare detekteringsförfarande. För att erhålla en bättre signal för identifieringen, kan signalerna från båda detektorerna i figur 1 slås ihop, exempelvis genom medelvärdesbildning. För att ytterligare förbättra kvaliteten på signalen så kan fler än två de- tektorer anordnas tätt efter varandra i färdriktningen och signa- lerna sammanlagras med någon sensorfusionsmetod.

I syfte att kunna identifiera spårkomponenter i signalen s(x) lag- ras nödvändiga kännetecken för att kunna identifiera spårkompo- nenterna. Dessa kännetecken lagras i ett minnesorgan 5. l min- nesorganet 5 lagras också en spårkarta över spårnätet vilken in- nehåller uppgifter om aktuella färdvägarna för fordonet. I spår- kartan som utgörs av en databas lagras information om spårkom- ponenterna i spårnätet och deras position. För detektering och identifiering av spårkomponenter jämförs den skalade signalen s(x) med de i minnesorganet 5 lagrade kännetecken i ett identifi- eringsorgan 6. För jämförelsen mellan de lagrade kännetecknen och detektorsignalen kan med fördel användas någon känd me- tod för korskorrelering. När en spårkomponent har identifierats kan fordonets nya position bestämmas med hjälp av den lagrade spårkartan. Positionsbestämningen sker i ett beräkningsorgan 7.

På detta vis kan den exakta positionen bestämmas vid varje spårkomponent. För att även erhålla en positionsbestämning mellan spårkomponenterna, beräknas avståndet mellan den se- nast passerade spårkomponenten och fordonet genom att integ- rera fordonets hastighet. Hastigheten som integreras kan exem- pelvis erhållas från en konventionell hastighetsmätare monterade på hjulen. Ett annat sätt att erhålla en positionsbestämning mel- lan spårkomponenterna är att detektera och räkna skenfästen.

Om antalet skenfästen och deras position finns lagrade, kan po- sitionen bestämmas vid varje skenfäste. 10 15 20 25 30 35 ~ | - V f. 5156571 Figur 2a visar en skena 9 med ett skenfäste 10. Figur 2b visar hur den skalade signalen s(x) ser ut när en differentialdetektor passerar skenan och skenfästet. Detektorn ger ett tydligt utslag när den passerar över skenfästet men ger inget utslag för den homogena skenan. Vilka ojämnheter som kan detekteras och de- ras storlek bestäms av detektorns avstånd z till skenans över- kant.

Positionsbestämningen enligt uppfinningen baserar sig på att fordonets färdväg följs i spàrkartan genom att spårkomponenter- na identifieras allteftersom fordonet passerar dem och att mot- svarande spårkomponent återfinns i spårkartan. För att kunna följa fordonets väg i spàrkartan år det särskilt viktigt att känna igen förgreningar och korsningar. Vid identifieringen av en växel så räcker det inte med att identifiera att det är en växel utan väx- elns läge måste också identifieras.

En typisk växel innefattar i sig flera olika typer av spårkompo- nenter såsom en växeltunga, ledskenor och ett korsningsstycke.

Signalerna från dessa komponenter kan användas för att be- stämma växelns läge, det vill säga om den år inställd för färd rakt fram på huvudspåret eller om den är inställd för färd längs en förgrening av spåret. Figur 3a visar en typisk växel inställd för färd längs en förgrening av spåret. Pilarna i figuren visar hur detektorn 2a rör sig längs spåret när fordonet passerar växeln.

Detektorn passerar först en spårtunga 20 och sedan en ledskena 21. Figur 3b visar signalen s(x) från detektorn när fordonet pas- serar växeln. Både passagen av växeltungan och ledskenan framgår tydligt av signalen. Ökningen av signalamplituden när detektorn passerar ledskenan hänför sig framförallt till fästdetal- jer i ledskenan vilka skjuter fram över skenkanten.

Figur 4a visar samma växel som i figur 3a men växeln är inställd för färd rakt fram längs huvudspåret. l det här fallet så passerar detektorn 2a först spetsen av växeltungan 22, därefter ett skarv- järn 23 för förstärkning av tungskenan och slutligen ett kors- stycke 24. Signalen från detektorn när den passerar växeln i 10 15 20 25 30 35 » - - . »o šis 571 detta läge visas i figur 4b. Som framgår av figur 3b och 4b så skiljer sig signalerna tydligt åt beroende på växelns läge, d.v.s. växelläget syns tydligt i signalmönstret.

För att kunna identifiera olika spårkomponenter så måste deras karakteristiska kännetecken finnas lagrade i förväg. Det finns fle- ra sätt att lagra kännetecken för spårkomponenterna. I en första utföringsform lagras gemensamma karakteristika för varje typ av spårkomponent. För att ta fram de karakteristiska kännetecken registreras, under en tidigare färd, signalen från detektorn när den passerar över olika typer av spårkomponenter. Signalen har olika utseende beroende på typ av spårkomponent. För varje typ av spårkomponent extraheras ur den registrerad signalen typiska geometriska särdrag såsom läge, varaktighet och amplitud, vilka utgör de karakteristiska kännetecknen som sedan kommer att ligga till grund för typbestämningen. På så vis erhålles en lista med ett antal olika typer av spårkomponenter och deras karakte- ristiska kännetecken. För varje typ av växel lagras kännetecken som karakteriserar dess olika växellägen. l spårkartan lagras för varje spårkomponent i spårnätet informa- tion om dess typ och position. Vid identifieringen som sker under färd bestäms typen av spårkomponent, exempelvis om det är en skenskarv, en ledskena eller en växel, genom att extrahera sig- nalens kännetecken och jämföra dessa med kännetecknen i lis- tan. Om det är en växel bestäms även växelns läge. Eftersom det är känt var i spårkartan fordonet befinner sig, d.v.s. den senast bestämda positionen, så är det också känt vilken typ av spår- komponent som förväntas komma härnäst. Den identifierade spårkomponentens typ jämförs med den förväntade typen från spårkartan och om de överensstämmer så kan fordonets nya po- sition hämtas från spårkartan. Är spårkomponenten en växel be- stämmer växelläget vilken som är nästa spårkomponent i spår- kartan. l en andra utföringsform lagras istället särskilda kännetecken, i form av en mönstersignal, för enskilda spårkomponent utefter 10 15 20 25 . | » . 1 v 5158571 färdvägen. Mönstersignalen lagras tillsammans med spàrkompo- nentens position i spàrkartan. På så sätt kan individuella spår- komponent igenkännas. Under färd räcker det med att identifiera de individuella spårkomponenterna för få fram fordonets position. ldentifieringen baserar sig på en korrelering av de lagrade mönstersignalerna med signalen från detektorn. Att identifiera enskilda komponenter utefter färdvägen kräver dels mycket min- ne för att lagra kännetecknen för alla enskilda spårkomponenter och dels mycket datorkapacitet för att kunna utföra alla jämförel- ser som behövs för att identifiera spårkomponenten. En möjlighet är att använda en kombination av dessa båda utföringsformer.

Exempelvis kan enskilda växlar identifieras medan övriga spår- komponenter typbestäms. l detta utförande måste spårkartan kompletteras med mönstersignaler för alla enskilda växlar i spår- nätet.

Figurerna 5a, 5b visar ett exempel på identifiering av en indivi- duell växel. Figur 3a visar en mönstersignal för en växel. Möns- tersignalen har registrerats under en tidigare färd över växeln och finns lagrad i minnesorganet. Figur 3b visar hur signalen från detektorn ser ut när den först passerar en skenskarv 30, sedan en växel 31 och sedan ytterligare en skenskarv 32. Figur 3c visar resultatet av en direkt korskorrelering mellan den lagrade möns- tersignalen i figur 3a och detektorsignalen i figur 3b. Den korrele- rade signalen uppvisar ett tydligt maximum 33 när detektorn pas- serar växeln.

Claims (20)

10 15 20 25 30 35 sis 571 PATENTKRAV

1. Anordning för att bestämma positionen för ett spårbundet fordon kännetecknad av att den innefattar - åtminstone en detektor (2a, 2b) anordnad för att generera en signal beroende av ojämnheter i spåret orsakade av spår- komponenter anordnade på eller i anslutning till spåret, - minnesorgan (5) anordnat för att lagra information om spår- komponenternas position utmed fordonets färdväg och nöd- vändiga kännetecken för att kunna identifiera spårkompo- nenterna, - identifieringsorgan (6) anordnat för att detektera och identi- fiera spårkomponenter genom att jämföra nämnda signal med de lagrade kännetecken, - beräkningsorgan (7) anordnat för att bestämma fordonets position utifrån de identifierade spårkomponenterna och de- ras lagrade position.

2. Anordning enligt krav 1 kännetecknad av att den genererade signalen är tidsberoende och att anordningen innefattar medel (3) för att, utgående från fordonets hastighet, skala om signalen så att den istället blir rumsberoende.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2 kännetecknad av beräknings- organet (7) är inrättat för att, utgående från fordonets integrerade hastighet, interpolera fram fordonets position mellan de detekte- rade spårkomponenterna.

4. Anordning enligt krav 1 eller 2 kännetecknad av att identifie- ringsorganet (6) är inrättat för att detektera skenfästen och att beräkningsorganet (7) är inrättat för att, utgående från antalet detekterade skenfästen, interpolera fram fordonets position mel- lan de detekterade spårkomponenterna. 10 15 20 25 30 35 5151371

5. Anordning enligt krav 1 - 3 kännetecknad av att den innefat- tar två väsentligen lika detektorer (2a, 2b) anordnade i fordonet och på avstånd från varandra i fordonets färdriktning.

6. Anordning enligt krav 5 kännetecknad av att den innefattar ett korrelatororgan (4) anordnat att beräkna fordonets hastighet utifrån tidsskiftet mellan signalerna från de två detektorerna (2a, 2b).

7. Anordning enligt krav 1 - 6 kännetecknad av att nämnda de- tektor är en virvelströmsdetektor.

8. Anordning enligt krav 1 kännetecknad av att identifieringsor- ganet (6) är inrättat för att identifiera spårkomponenterna genom att korskorrelera den genererade signalen och de lagrade kän- netecknen.

9. Anordning enligt något tidigare krav kännetecknad av att anordningen är inrättad för montering på fordonet.

10. Anordning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att minnes- organet (7) är inrättat för att lagra en digital spårkarta.

11. Anordning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att spårkom- ponenterna innefattar växlar, korsningar och skenskarvar.

12. Anordning enligt patentkrav 1 eller 11 kännetecknad av att spàrkomponenterna innefattar växeltungor, ledskenor och kors- ningsstycken.

13. Förfarande för att bestämma positionen för ett spårbundet fordon kännetecknat av att - i förväg registreras och lagras position och karakteristiska kännetecken för spàrkomponenter anordnade på eller i an- slutning till spåret, 10 15 20 25 30 35 . . . . t, slå 571 - en signal genereras under färd som beror av ojämnheter i spåret orsakade av nämnda spårkomponenter, - signalen jämförs med de lagrade karakteristiska känne- tecknen varvid spårkomponenterna detekteras och identifie- ras, och - fordonets position bestämmes utifrån de identifierade spår- komponenterna och deras lagrade position.

14. Förfarande enligt krav 13 kännetecknat av att karakteristiska kännetecken för ett antal olika typer av spårkomponenter lagras i förväg, och att vid jämförelsen identifieras typen av spårkompo- nent.

15. Förfarande enligt krav 14 kännetecknat av att i förväg lagras en spårkarta, vilken innehåller information om typ och position för spårkomponenter utefter fordonets färdväg, och att nästa po- sition bestämmes utifrån spårkomponentens typ och den lagrade spårkartan.

16. Förfarande enligt krav 13-15 kännetecknat av att information om karakteristiska kännetecken för individuella spårkomponenter utefter fordonets färdväg lagras i förväg och att vid nämnda jämförelse de individuella spårkomponenterna identifieras.

17. Förfarande enligt krav 13-16 kännetecknat av att innan sig- nalerna jämförs med de karakteristiska kännetecknen skalas sig- nalerna så att de blir oberoende av fordonets hastighet.

18. Förfarande enligt krav 13-17 kännetecknat av att avståndet mellan fordonet och senast detekterade spårkomponent beräknas genom att fordonets hastighet integreras.

19. Förfarande enligt krav 17 eller 18 kännetecknat av att fordo- nets hastighet beräknas utifrån tidskiftet mellan signalerna från v ~ u V »u síš 571 två väsentligen lika detektorer som är anordnade pà avstånd från varandra i fordonets färdriktning.

20. Förfarande enligt krav 13 kännetecknat av att jämförelsen mellan den genererade signalen och de lagrade karakteristiska kännetecknen utförs medelst korskorrelering.