DE102012219109A1 - Method for determining velocity of e.g. remote controlled train, involves filtering measurement of accelerations for eliminating portions attributed to velocity-independent effects, and determining velocity of vehicle by processing signals - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs ohne Verwendung einer Geschwindigkeitsmessvorrichtung.The invention relates to a method for determining the speed of a rail vehicle without the use of a speed measuring device.
Die Kenntnis der Geschwindigkeit eines Zuges ist z. B. für die Zugsteuerung, insbesondere aber für den allgemeinen Zugbetrieb essentiell. Für eine erfolgreiche Zuglokalisierung sowie Kollisionsvermeidung ist die Kenntnis bzw. Schätzung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs von Bedeutung. Ferne kann die Geschwindigkeitsschätzung dazu verwendet werden, um die Lokalisierung bzw. Schätzung der Position des Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz zu verbessern.The knowledge of the speed of a train is z. B. for the train control, but especially for the general train operation essential. For a successful train localization and collision avoidance, the knowledge or estimation of the speed of a rail vehicle is important. Remotely, the speed estimate can be used to improve the location of the rail vehicle in a rail network.
Geschwindigkeitsmessungen bei Schienenfahrzeugen existieren, wozu entweder Geschwindigkeitsmessvorrichtungen wie beispielsweise ein Doppler-RADAR verwendet wird oder aber die Radumdrehungen pro Zeiteinheit ausgewertet werden. Das letztere Verfahren ist relativ kostenintensiv, was seine Installation betrifft, wobei seine Genauigkeit vom Schlupf sowie vom Laufradumfang bzw. Laufraddurchmesser abhängig ist, der im Zuge des Verschleißes abnimmt. Auf die Installation eines Doppler-RADAR ist relativ teuer und darüber hinaus witterungsanfällig, außerdem ist die Funktionsfähigkeit derartiger Systeme gegenüber mechanischen Beschädigungen recht anfällig. Ein Doppler-Radar wird nämlich am Unterboden des Schienenfahrzeugs installiert; hier herrschen in Folge von Witterung und Schotterflug raue Bedingungen.Speed measurements on rail vehicles exist using either speed measuring devices such as a Doppler RADAR or evaluating the wheel revolutions per unit of time. The latter method is relatively expensive in terms of its installation, with its accuracy depending on the slip and the impeller circumference or impeller diameter, which decreases in the course of wear. The installation of a Doppler RADAR is relatively expensive and moreover weather-prone, and the functionality of such systems is quite vulnerable to mechanical damage. Namely, a Doppler radar is installed on the underbody of the rail vehicle; Rough conditions prevail here as a result of the weather and gravel.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung bzw. Schätzung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs anzugeben, das eine robuste und zuverlässig arbeitende sowie vor mechanischen Beschädigungen (Eisplatten, Schotterflug) und Witterungseinflüssen beschützt positionierbare Sensorik erfordert.The object of the invention is to provide a method for determining or estimating the speed of a rail vehicle, which requires a robust and reliable working and protected from mechanical damage (ice sheets, gravel) and weather conditions positionable sensors.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, und zwar mit den folgenden Schritten:
- – Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug insbesondere eindimensional wirkenden Beschleunigungen, insbesondere Vibrationen in Vertikalrichtung, infolge einer Laufradunwucht und/oder einer Abweichung des Umfangs eines Laufrads von der Kreisform, wobei die aktuell gemessenen Beschleunigungen für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs charakteristisch ist,
- – Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und
- – Ermittlung der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des (Vertikal-)Beschleunigungssignals oder, allgemeiner ausgedrückt, eines ein- oder mehrdimensionalen (z. B. zwei- oder dreiachsigen) Beschleunigungssignals.
- Measuring accelerations, in particular one-dimensionally acting on a traveling rail vehicle, in particular vibrations in the vertical direction, as a result of impeller unbalance and / or deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, wherein the currently measured accelerations are characteristic of the current speed of the rail vehicle,
- - filtering the measurement of accelerations to eliminate DC-related and / or due to speed-independent effects signal components in the measurement and
- - Determining the current speed of the rail vehicle by processing the (vertical) acceleration signal or, more generally, a one- or multi-dimensional (eg two- or three-axis) acceleration signal.
Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erkenntnis, dass ein Schienenfahrzeug aufgrund seiner starren Schiene/Rad-Kopplung geschwindigkeitsabhängigen Vibrationen insbesondere in Z-Richtung ausgesetzt ist, die infolge einer Laufradunwucht und/oder einer Abweichung des Laufradumfangs von der Kreisform entstehen. So ist es oftmals nicht untypisch, dass der Umfang eines Laufrads Abflachungen odgl. Abweichungen von der Kreisform aufweist. Diese Abweichungen führen zu geschwindigkeitsabhängigen Spektrallinien, wenn beispielsweise das gemessene und aufgezeichnete Beschleunigungszeitsignal in den Frequenzbereich transformiert wird. Anhand der Lage bzw. der relativen Lagen der geschwindigkeitsspezifischen Spektrallinien, d. h. Frequenzanteile des zur Verfügung stehenden, die Vibrationen beschreibenden Signals lässt sich dann auf die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs schließen. Dabei sollten bevorzugte DC-nahe und/oder solche Signalanteile, die auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte (beispielsweise Vibrationen infolge von Motorvibrationen) zurückzuführen sind, eliminiert werden.The basis of the method according to the invention is the recognition that a rail vehicle is exposed due to its rigid rail / wheel coupling speed-dependent vibrations, especially in the Z direction, which arise as a result of impeller unbalance and / or a deviation of the impeller circumference of the circular shape. So it is often not untypical that the circumference of an impeller flats or the like. Deviations from the circular shape. These deviations lead to speed-dependent spectral lines when, for example, the measured and recorded acceleration time signal is transformed into the frequency domain. Based on the position or the relative positions of the speed-specific spectral lines, d. H. Frequency components of the available signal describing the vibrations can then be related to the speed of the rail vehicle. In this case, preferred DC near and / or those signal components which are due to speed-independent effects (for example vibrations due to engine vibrations) should be eliminated.
Die dem erfindungsgemäßen Konzept, nämlich die aktuelle Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs aus den Vibrationsdaten einer insbesondere mehrachsigen Beschleunigungssensorik in Form einer ”Initial Measurement Unit” (Beschleunigungssensorik mit (z. B. mehrdimensionalen, wie z. B. dreiachsigen) Gierraten- und (z. B. mehrdimensionalen, wie z. B. dreiachsigen) Linearbeschleunigungssensoren) ohne jeden weiteren Sensor zu schätzen, zugrunde liegenden Erkenntnisse werden nachfolgend anhand von der Zeichnung erläutert.The concept according to the invention, namely the current speed of a rail vehicle from the vibration data of a particularly multi-axis acceleration sensor in the form of an "Initial Measurement Unit" (acceleration sensor system with (eg multi-dimensional, such as triaxial) yaw rate and (eg multi-dimensional, such as three-axis) linear acceleration sensors) without any further sensor to estimate, underlying knowledge will be explained below with reference to the drawing.
Ausgangspunkt ist die Befahrung einer Schienenstrecke mithilfe eines Schienenfahrzeugs, das eine IMU zur Ermittlung insbesondere von Vibrationen bzw. Beschleunigungen in Z-Richtung mitführt. Diese Befahrung erfolgt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Messwerte bzw. allgemein die Messung wird einer Spektralanalyse der Z-Beschleunigung als Funktion der Geschwindigkeit unterzogen. Hierzu unterteilt man die Messfahrt bzw. die Messung in einzelne Abschnitte einer bestimmten Länge (bei einer vorgegebenen Aufzeichnungsrate) und führt anschließend mit diesen Daten eine Leistungsdichteschätzung durch, womit man die sogenannte PSD (Power Spectral Density) erhält. Sortiert man die so erzeugten PSDs nach der in dem jeweils betrachteten Abschnitt herrschenden Geschwindigkeit v und mittelt dann die PSDs eines Geschwindigkeitsbereichs zu einem mittleren PSD (v), so ergibt sich die Situation gemäß dem Diagramm der Zeichnung. Dort sind mit
In dem Diagramm erkennt man, dass die Spektrallinien geschwindigkeitsabhängig und geschwindigkeitsunabhängig sein können.In the diagram one recognizes that the spectral lines can be speed-dependent and speed-independent.
Geschwindigkeitsunabhängige EffekteSpeed independent effects
Man erkennt bei 10 mehrere Spektrallinien (in diesem Beispiel etwa bei 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz und 44 Hz), die nicht von der Geschwindigkeit abhängen; sie verlaufen nämlich senkrecht. Diese Spektrallinien sind auf die Motordrehzahl sowie Vielfache der Motordrehzahl zurückzuführen. Diese Spektrallinien und die sie charakterisierenden Frequenzen müssen herausgefiltert werden.It can be seen at 10 several spectral lines (in this example, about 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz and 44 Hz), which do not depend on the speed; they are vertical. These spectral lines are due to the engine speed and multiples of the engine speed. These spectral lines and their characterizing frequencies must be filtered out.
Geschwindigkeitsabhängige EffekteSpeed-dependent effects
Ferner erkennt man bei
Als Folge weiterer geschwindigkeitsabhängiger Effekte sind die Spektrallinien
Erfindungsgemäß werden die zuvor genannten für die Ermittlung der Geschwindigkeit irrelevanten Effekte bei der Geschwindigkeitsermittlung unberücksichtigt gelassen. Dies erfolgt durch entsprechende Filterungen, wobei im Folgenden auf die Verwendung der hierzu verwendeten Filter nicht weiter eingegangen wird.According to the invention, the above-mentioned effects which are irrelevant to determining the speed are not taken into account in the speed determination. This is done by appropriate filtering, in the following on the use of the filter used for this purpose will not be discussed further.
Erfindungsgemäß wird nun zur Entfernung der DC-nahen Signalanteile ein Hochpassfilter mit einer relativ niedrigen Grenzfrequenz von einigen wenigen Hz, beispielsweise von circa 3,2 Hz verwendet. Zum Herausfiltern der geschwindigkeitsunabhängigen Effekte verwendet man erfindungsgemäß zweckmäßigerweise ein Kammfilter (Multi-Notch Filter), das in der Grundfrequenz auf die geometrischen Gegebenheiten des Schienenfahrzeugs angepasst wird. Da als Quelle der geschwindigkeitsunabhängigen Effekte der Motor des Schienenfahrzeugs zu betrachten ist, kann die Drehzahl des Motors leicht geschätzt werden und das Filter durch Verwendung eines synchronisierbaren Kammfilters nach dem Stand der Technik realisiert werden.According to the invention, a high-pass filter with a relatively low cut-off frequency of a few Hz, for example of approximately 3.2 Hz, is used to remove the DC-near signal components. To filter out the speed-independent effects, a comb filter (multi-notch filter) is expediently used according to the invention, which is adapted in the fundamental frequency to the geometric conditions of the rail vehicle. As the source of the speed-independent effects is considered to be the motor of the rail vehicle, the speed of the motor can be easily estimated and the filter realized by using a synchronizable comb filter according to the prior art.
Das auf die zuvor beschriebene Weise vorverarbeitete Signal wird nun bezüglich der Extraktion des Schätzwertes der aktuellen Geschwindigkeit weiter verarbeitet. Aus dem Diagramm der Zeichnung ergibt sich, dass für eine Geschwindigkeit v1 beispielsweise die Frequenzen f1,1, f1,2, f1,3 und f1,4 charakteristisch sind. Die Frequenzen f2,1, f2,2, f2,3 und f2,4 sind beispielsweise charakteristisch für die Geschwindigkeit v2. Die Spektrallinien
Die Geschwindigkeit lässt sich beispielsweise abschätzen durch eine Wavelet-Analyse unter Verwendung einer Vielzahl von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sequentiell anzuwendenden Wavelets mit einem jedem Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktor, wobei durch Korrelation das Wavelet mit der besten Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Beschleunigungen ermittelt wird und der diesem Wavelet zugeordnete Skalierungsfaktor die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert. Sei q (t, n) ein geeignetes Wavelet, so kann mittels Waveletanalyse die beste Übereinstimmung zwischen dem Wavelet und dem Beschleunigungssignal bestimmt werden (Korrelation). Die Variable t repräsentiert dann den Zeitpunkt der besten Übereinstimmung und die Variable n den Skalierungsfaktor. Der Skalierungsfaktor ist proportional zur Geschwindigkeit. Somit ist eine Geschwindigkeitsmessung bzw. -abschätzung (nach Kalibrierung) möglich. Zur Bestimmung eines geeigneten Wavelets wird nach Herausfilterung der geschwindigkeitsabhängigen und geschwindigkeitsunabhängigen Effekte die Messungen in Abschnitte unterteilt. Mit der ebenfalls aufgezeichneten Geschwindigkeit können sie skaliert werden. Eine Anschließende Überlagerung (im Zeit- oder Frequenzbereich) liefert eine geeignete Musterfunktion.For example, the velocity can be estimated by wavelet analysis using a plurality of wavelets to be sequentially applied at successive times with a wavelet associated with each wavelet Scaling factor, where by correlation the wavelet with the best match with the currently measured accelerations is determined and the scaling factor assigned to this wavelet represents the current speed of the rail vehicle. If q (t, n) is a suitable wavelet, the best match between the wavelet and the acceleration signal can be determined by means of wavelet analysis (correlation). The variable t then represents the time of the best match and the variable n the scaling factor. The scaling factor is proportional to the speed. Thus, a speed measurement or estimation (after calibration) is possible. To determine a suitable wavelet, after filtering out the speed-dependent and speed-independent effects, the measurements are subdivided into sections. With the speed also recorded, they can be scaled. A subsequent overlay (in the time or frequency domain) provides a suitable pattern function.
Eine alternative Möglichkeit der Detektion bzw. Abschätzung der Geschwindigkeit umfasst die Verwendung von Matched Filtern. Eine hypothetische Geschwindigkeit führt zu einem Matched Filter, das aus zwei Delta-Impulsen besteht. Der Abstand ist durch den Quotienten v/D gegeben. Man bestimmt die Leistung am Ausgang des Filters. Die Variation der hypothetischen Geschwindigkeit liefert eine geschwindigkeitsabhängige Schätzung, deren Maximum die gesuchte Geschwindigkeit widerspiegelt. Bezogen auf die Darstellung in dem Diagramm gemäß Zeichnung bedeutet dies, dass der Abstand beispielsweise zweier Frequenzen, bei denen die auszuwertende Messung Spektrallinien aufweist, ein Maß für die Größe des Quotienten v/D ist. Da D den Achsabstand repräsentiert, kann damit durch die Lage der Spektrallinien im Frequenzbereich auf die Geschwindigkeit geschlossen werden (siehe auch die Spektrallinien bei
Eine weitere Möglichkeit der Detektion besteht in der Verwendung eines Mehrfach-Kammfilters. Das Zeitsignal wird durch ein derartiges Mehrfach-Kammfilter gefiltert, um dann die Leistung des Zeitsignals zu bestimmen. Das Mehrfach-Kammfilter ist durch Mittenfrequenzen f0 sowie Vielfache davon (beispielsweise 2·f0,3·f0,4·f0,5·f0) bestimmt. Die Variation von f0 liefert verschiedene Ergebnisse. Das gesuchte f0 kann durch eine Maximumsuche nach der Leistung gefunden werden. Eine solche Vorgehensweise kann auch mithilfe von parallel geschalteten Filterbänken (beispielsweise 150 Filter) geschehen, wobei eines der Filter für die Mittenfrequenz f0 und die anderen Filter für unterschiedliche Vielfache der Mittenfrequenz ausgelegt und damit jedes Filter eine unterschiedliche Geschwindigkeit repräsentiert.Another possibility of detection is the use of a multiple comb filter. The time signal is filtered by such a multiple comb filter to then determine the power of the time signal. The multiple comb filter is determined by center frequencies f 0 and multiples thereof (for example, 2 * f 0, 3 * f 0, 4 * f 0, 5 * f 0 ). The variation of f 0 gives different results. The searched f 0 can be found by a maximum search for the power. Such a procedure can also be done using parallel filter banks (for example, 150 filters), where one of the filters for the center frequency f 0 and the other filters are designed for different multiples of the center frequency and thus each filter represents a different speed.
Bei all diesen zuvor bestimmten Varianten und Alternativen werden die dominanten Spektrallinien des Leistungsdichtespektrums analysiert, die wiederum für die aktuell gegebene Geschwindigkeit charakteristisch sind, womit auf die Geschwindigkeit geschlossen werden kann.In all of these previously determined variants and alternatives, the dominant spectral lines of the power density spectrum are analyzed, which in turn are characteristic of the currently given speed, which can be used to conclude the speed.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wie folgt:
- 1. Unabhängig von anderen Messungen.
- 2. Ist eine IMU vorhanden, ist dieses Verfahren fast kostenlos.
- 3. Robuste Messung: Funktioniert auch in Tunneln, ohne Funk und unabhängig von äußeren Witterungseinflüssen und mechanischen Belastungen (z. B. durch Schotteflug).
- 4. Mit geringem Aufwand einbaubar (Das Messgerät wurde beispielsweise mit einem Kabelbinder auf der Lok montiert).
- 5. Weitgehend unabhängige Wahl des Montageorts.
- 1. Independent of other measurements.
- 2. If there is an IMU, this procedure is almost free.
- 3. Robust measurement: Also works in tunnels, without radio and independent of external weather influences and mechanical loads (eg by Scottish flight).
- 4. Can be installed with little effort (the measuring device was mounted on the locomotive with a cable tie, for example).
- 5. Largely independent choice of installation site.
In jedem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu genutzt werden, um einen Stillstand des Zuges zu detektierten. Die zusätzliche Verwendung eines Mikrofons erlaubt den Einsatz eines weiteren günstigen Sensors, der in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, genutzt werden kann um die Geschwindigkeit zu schätzen. Hier könnte man insbesondere die Drehzahl von Asynchronmotoren (sogenanntes Straßenbahnpfeifen beim Anfahren) schätzen.In any case, the inventive method can also be used to detect a stoppage of the train. The additional use of a microphone allows the use of another cheap sensor, which can be used in a similar manner as described above to estimate the speed. Here one could particularly estimate the speed of asynchronous motors (so-called streetcar whistles when starting).
Neben der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Geschwindigkeitsmessung bzw. -schätzung von Schienenfahrzeugen lässt sich das Verfahren als Ergänzung zur bordautonomen Lokalisierung für Schienenfahrzeuge bei autonom fahrenden oder ferngesteuerten Zügen und/oder bei Antikollisionssystemen für Züge einsetzen.In addition to the use of the inventive method for speed measurement or estimation of rail vehicles, the method can be used as a supplement to the on-board localization for rail vehicles in autonomous or remote controlled trains and / or anti-collision systems for trains.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Verschleiß bei Laufrädern eines Schienenfahrzeugs durch Vergleich der gemäß einer der obigen Variante oder Alternative ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mit dessen auf andere Weise, z. B. durch einen Geschwindigkeitsmesser, ermittelten Geschwindigkeit, wobei auf Verschleiß erkannt wird, wenn die Abweichung beider Geschwindigkeiten einen vorgegebenen Differenzwert übersteigt.Finally, the inventive method for detecting wear in wheels of a rail vehicle by comparing the determined according to one of the above variant or alternative speed of the rail vehicle with its otherwise, for. For example, by a speedometer, detected speed, which is detected for wear when the deviation of both speeds exceeds a predetermined differential value.
Die Geschwindigkeitsmessung und Laufradmessung können unter bestimmten Umständen nahezu gleichzeitig durchgeführt werden. Der sich typischerweise sehr langsam ändernde Laufradgeometrieparameter, z. B. der Laufradumfang, wird durch Verwendung eines Geschwindigkeitssensors erlernt (analysiert) und bei einem Ausfall oder ungünstigen Messverhältnissen wird/werden der/die erlernte/erlernten Laufrad-Parameter zur Geschwindigkeitsmessung verwendet. Die Laufradvermessung(-Analyse) wird dann ”ausgesetzt”.The speed measurement and impeller measurement can under certain circumstances be performed almost simultaneously. The typically very slowly changing impeller geometry parameters, e.g. Wheel circumference is learned (analyzed) by use of a speed sensor, and in case of failure or unfavorable measurement conditions, the learned / learned impeller parameter (s) are used for speed measurement. Impeller measurement (analysis) is then "suspended".
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Legal Events
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