DE102012219109B4

DE102012219109B4 - Method for determining the speed of a rail vehicle

Info

Publication number: DE102012219109B4
Application number: DE102012219109.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heirich; Alexander Steingass
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-20
Also published as: DE102012219109A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit einem Laufrad, das eine Unwucht und/oder einen von der Kreisform abweichenden Umfang aufweist, mit den folgenden Schritten,- Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug wirkenden, ein- oder mehrdimensionalen Beschleunigungen als 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 sind,- Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und- Ermitteln der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des oder der Beschleunigungssignale,- wobei die Signalverarbeitung eine Waveletanalyse unter Verwendung einer Vielzahl von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sequentiell anzuwendenden Wavelets mit einem jedem Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktor umfasst und- wobei durch Korrelation dasjenige Wavelet ermittelt wird, das die beste Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Beschleunigungen aufweist, und der diesem Wavelet zugeordnete Skalierungsfaktor die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert.Method for determining the speed of a rail vehicle with an impeller which has an imbalance and / or a circumference deviating from the circular shape, with the following steps, an impeller imbalance and / or a deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle, - filtering the measurement of the accelerations in order to eliminate DC-related and / or signal components due to speed-independent effects in the measurement and determination of the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signal (s), the signal processing sequentially starting a wavelet analysis using a plurality of points in time turning wavelets with a scaling factor assigned to each wavelet and correlation is used to determine the wavelet that has the best match with the currently measured accelerations, and the scaling factor assigned to this wavelet represents the current speed of the rail vehicle.

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 using 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. Ferner kann die Geschwindigkeitsschätzung dazu verwendet werden, um die Lokalisierung bzw. Schätzung der Position des Schienenfahrzeugs in einem Schienennetz zu verbessern.Knowing the speed of a train is e.g. essential for train control, but especially for general train operations. Knowing or estimating the speed of a rail vehicle is important for successful train localization and collision avoidance. Furthermore, the speed estimate can be used to improve the localization or estimate of the position 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. Auch 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 in rail vehicles exist, for which purpose either speed measuring devices such as a Doppler RADAR are used or the wheel revolutions per unit of time are evaluated. The latter method is relatively cost-intensive as far as its installation is concerned, its accuracy being dependent on the slippage as well as the impeller circumference or impeller diameter, which decreases with the wear. The installation of a Doppler-RADAR is also relatively expensive and moreover prone to weather, and the functionality of such systems is also quite susceptible to mechanical damage. A Doppler radar is installed on the underbody of the rail vehicle; The conditions here are rough due to weather and gravel flying.

Aus EP 1 014 092 A2 und DE 198 59 646 A1 ist es bekannt, die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges anhand des zeitlichen Abstands gleichartiger Vibrationspeaks von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Bauteilen, insbesondere Radachsen, auf welche gleiche Unebenheiten der Fahrbahnoberfläche, insbesondere Straße oder Schiene, wirken, zu ermitteln.Out EP 1 014 092 A2 and DE 198 59 646 A1 it is known to determine the speed of a vehicle on the basis of the time interval of the same type of vibration peaks from components arranged one behind the other in the direction of travel, in particular wheel axles, on which the same bumps on the road surface, in particular road or rail, act.

In WO 00/60322 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs bekannt, wobei das Schienenfahrzeug ein Laufrad umfasst, das eine Unwucht und/oder einen von der Kreisform abweichenden Umfang aufweist und wobei bei dem Verfahren die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug wirkenden, ein- oder mehrdimensionalen Beschleunigungen als Vibrationen in Vertikalrichtung, infolge der Laufradunwucht und/oder der Abweichung des Umfangs des 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 oder der Beschleunigungssignale.

In WO 00/60322 A1 A method for determining the speed of a rail vehicle is known, the rail vehicle comprising an impeller that has an imbalance and / or a circumference that deviates from the circular shape, and the method carries out the following steps:

Measuring one-dimensional or multi-dimensional accelerations acting on a moving rail vehicle as vibrations in the vertical direction, as a result of the impeller imbalance and / or the deviation of the circumference of the impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle,
- Filtering the measurement of the accelerations in order to eliminate DC-related and / or signal components due to speed-independent effects in the measurement and
- Determination of the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signal (s).

DE 100 20 519 A1 und DE 195 80 680 B4 zeigen Beispiele für die Verschleißdetektion bei Laufrädern von Schienenfahrzeugen. DE 100 20 519 A1 and DE 195 80 680 B4 show examples of wear detection in the wheels of rail vehicles.

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 sensor system that can be positioned and protected against mechanical damage (ice plates, gravel flight) and weather influences.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Verfahren die Schritte des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 4 oder des Anspruchs 5 aufweist. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.To achieve this object, the invention proposes a method for determining the speed of a rail vehicle, the method comprising the steps of claim 1 or claim 4 or claim 5. Individual embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Grundlage der Erfindung 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 invention is the knowledge that, due to its rigid rail / wheel coupling, a rail vehicle is exposed to speed-dependent vibrations, in particular in the Z direction, which occur as a result of an impeller imbalance and / or a deviation of the impeller circumference from the circular shape. So it is often not uncommon for the circumference of an impeller to flatten or the like. Deviations from the circular shape. These deviations lead to speed-dependent spectral lines if, for example, the measured and recorded acceleration time signal is transformed into the frequency range. Based on the position or the relative positions of the speed-specific spectral lines, i.e. Frequency components of the available signal describing the vibrations can then be deduced from the speed of the rail vehicle. Preferred DC-close and / or those signal components that are due to speed-independent effects (for example vibrations due to motor 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 an in particular multi-axis acceleration sensor system in the form of an “initial measurement unit” (acceleration sensor system with (for example multi-dimensional, such as for example three-axis) yaw rate and (for example multidimensional, like z. B. three-axis) linear acceleration sensors) without estimating any further sensor, the underlying findings are 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 10 geschwindigkeitsunabhängige Spektrallinien und mit 20, 22, 24 bzw. 26 geschwindigkeitsabhängige Spektrallinien zu sehen. Die Spektrallinien bei 12 sind auf die Geometrie des Schienenfahrzeugs (beispielsweise wegen dessen Radabstands) zurückzuführende Spektrallinien bezeichnet. Auf sehr langsame Bewegungen des Schienenfahrzeugs (z. B. in Folge von Kurvenüberhöhungen(Rollen), Berg- und Talfahrtübergängen (Nicken) und Veränderungen der Erdbeschleunigung) zurückzuführende Spektrallinien sind bei 14 eingezeichnet.The starting point is the travel on a rail route with the aid of a rail vehicle that carries an IMU to determine, in particular, vibrations or accelerations in the Z direction. This is done at different speeds. The measured values or generally the measurement is subjected to a spectral analysis of the Z acceleration as a function of the speed. To do this, you divide the measurement trip or measurement into individual sections of a certain length (at a given recording rate) and then use this data to perform a power density estimate, which gives you the so-called PSD (Power Spectral Density). Sorting the PSDs generated in this way according to the speed v prevailing in the section in question and then averaging the PSDs of a speed range to an average PSD (v) results in the situation according to the diagram in the drawing. There are 10 speed-independent spectral lines and 20, 22, 24 and 26 speed-dependent spectral lines. The spectral lines at 12 are designated spectral lines due to the geometry of the rail vehicle (for example because of its wheelbase). Spectral lines due to very slow movements of the rail vehicle (e.g. as a result of cornering (rolling), ascent and descent transitions (pitching) and changes in the acceleration due to gravity) are shown at 14.

In dem Diagramm erkennt man, dass die Spektrallinien geschwindigkeitsabhängig und geschwindigkeitsunabhängig sein können.The diagram shows that the spectral lines can be speed-dependent and speed-independent.

Geschwindigkeitsunabhängige EffekteEffects independent of speed

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.At 10 there are several spectral lines (in this example around 11 Hz, 22 Hz, 33 Hz and 44 Hz) that do not depend on the speed; namely, they run vertically. These spectral lines are due to the engine speed and multiples of the engine speed. These spectral lines and the frequencies that characterize them must be filtered out.

Geschwindigkeitsabhängige EffekteSpeed dependent effects

Ferner erkennt man bei 12 Spektrallinien, die durch den Ursprung verlaufen. Diese Spektrallinien 12 sind offensichtlich von der Geschwindigkeit abhängig. Es sei näherungsweise davon ausgegangen, dass es keinen Offset zum Ursprung gibt. Die niedrigste, geschwindigkeitsabhängige Spektrallinie 12 verläuft durch den Ursprung und durch den Punkt (in diesem Ausführungsbeispiel) von 3,6 Hz, 140 km/h. Dieses lässt auf einen geometrischen Abstand der mechanischen Gegebenheiten von etwa 4,6m schließen. Die Testfahrten, die dem grob in der Zeichnung angegebenen Spektralanalysediagramm zugrunde liegen, wurden mit einem Schienenfahrzeug durchgeführt, dessen Triebkopf ein Paar Radachsen mit einem Achsabstand von D = 4,7m aufwies. Somit werden also Unebenheiten auf der Schiene in diesem Abstand periodisch in die gemessenen Vibrationen eingespeist. Derartige auf die geometrische Beschaffenheit der Schnittstelle zwischen den Laufrädern und der Schienen zurückzuführende Effekte müssen ebenfalls herausgefiltert werden.You can also see 12 spectral lines that run through the origin. These spectral lines 12 are obviously dependent on the speed. It is assumed approximately that there is no offset to the origin. The lowest, speed-dependent spectral line 12 runs through the origin and through the point (in this embodiment) of 3.6 Hz, 140 km / h. This suggests a geometric distance of about 4.6m from the mechanical conditions. The test drives on which the spectral analysis diagram roughly shown in the drawing is based were carried out with a rail vehicle, the driving head of which had a pair of wheel axles with a center distance of D = 4.7 m. Thus, bumps on the rail are periodically fed into the measured vibrations at this distance. Such effects due to the geometrical nature of the interface between the running wheels and the rails must also be filtered out.

Als Folge weiterer geschwindigkeitsabhängiger Effekte sind die Spektrallinien 14 erkennbar. Diese Linien entsprechen Signalanteilen in den Vibrationen, die auf sehr kleine Frequenzen zurückzuführen sind, also sehr langsame Bewegungen des Zuges repräsentieren. Derartige sehr langsame Bewegungen (sogenannte DC-nahe Effekte) entstehen in Folge von Kurvenüberhöhungen und Neigungen des Zuges bei sich verändernden Anstiegen bzw. Abfällen der Schiene, wie es beispielsweise zu Beginn einer Berg- oder Talfahrt anzutreffen ist. Die Spektrallinien 14 liegen somit dicht an der Y-Achse des Koordinatenkreuzes gemäß 1.The spectral lines are the result of further speed-dependent effects 14 recognizable. These lines correspond to signal components in the vibrations that can be traced back to very low frequencies, i.e. represent very slow movements of the train. Such very slow movements (so-called DC-close effects) arise as a result of excessive curves and inclinations of the train with changing increases or decreases in the rail, as can be found, for example, at the start of an ascent or descent. The spectral lines 14 are therefore close to the Y axis of the coordinate system according to 1 ,

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 the determination of the speed are not taken into account when determining the speed. This is done by appropriate filtering, and the use of the filters used for this purpose is not discussed further below.

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 now used to remove the DC-related signal components. To filter out the speed-independent effects, a comb filter (multi-notch filter) is expediently used according to the invention, the fundamental frequency of which is adapted to the geometric conditions of the rail vehicle. Since the motor of the rail vehicle is to be regarded as the source of the speed-independent effects, the speed of the motor can be easily estimated and the filter can be implemented 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 f_1,1, f_1,2, f_1,3 und f_1,4 charakteristisch sind. Die Frequenzen f_2,1, f_2,2, f_2,3 und f_2,4 sind beispielsweise charakteristisch für die Geschwindigkeit v₂. Die Spektrallinien 20, 22, 24 und 26 des Diagramms der Zeichnung sind abhängig von der Geschwindigkeit und dem Radumfang. Der Zusammenhang ist gegeben durch $v = 3,6 * d * Pi * fn / n,$

wobei v die Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h ist, d der Raddurchmesser ist, Pi die Kreiskonstante ist, fn die Frequenz der n-ten Spektrallinie ist (f₁ für Spektrallinie 20, f₂ für Spektrallinie 22, f₃ für Spektrallinie 24 und f₄ für Spektrallinie 26) und n das Vielfache der Grundschwingung (Oberwelle Nummer n-1) ist.The signal preprocessed in the manner described above is now further processed with regard to the extraction of the estimated value of the current speed. It can be seen from the diagram in the drawing that the frequencies f _1.1 , f _1.2 , f _1.3 and f _{1.4 are} characteristic of a speed v ₁ . The frequencies are f _2.1 , f _2.2 , f _2.3 and f _2.4 for example characteristic of the speed v ₂ . The spectral lines 20 . 22 . 24 and 26 of the diagram of the drawing depend on the speed and the wheel circumference. The connection is given by

v = 3.6 * d * pi * fn / n .

where v is the vehicle speed in km / h, d is the wheel diameter, Pi is the circular constant, fn is the frequency of the nth spectral line (f ₁ for spectral line 20 , f ₂ for spectral line 22 , f ₃ for spectral line 24 and f ₄ for spectral line 26 ) and n is the multiple of the fundamental (harmonic number n-1).

Die Geschwindigkeit wird gemäß einer ersten Variante der Erfindung abgeschätzt 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.According to a first variant of the invention, the speed is estimated by a wavelet analysis using a plurality of wavelets to be used sequentially at successive times with a scaling factor assigned to each wavelet, the wavelet being determined by correlation with the best match with the currently measured accelerations 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 correspondence 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. A speed measurement or estimation (after calibration) is thus possible. To determine a suitable wavelet, the measurements are divided into sections after filtering out the speed-dependent and speed-independent effects. They can be scaled with the speed also recorded. A subsequent overlay (in the time or frequency domain) provides a suitable pattern function.

Eine alternative Möglichkeit der Detektion bzw. Abschätzung der Geschwindigkeit umfasst erfindungsgemäß 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 12 im Diagramm der Zeichnung).An alternative possibility of detecting or estimating the speed comprises, according to the invention, the use of matched filters. A hypothetical speed leads to a matched filter consisting of two delta pulses. The distance is given by the quotient v / D. The power at the output of the filter is determined. The variation in the hypothetical speed provides a speed-dependent estimate, the maximum of which reflects the speed sought. In relation to the representation in the diagram according to the drawing, this means that the distance, for example, between two frequencies at which the measurement to be evaluated has spectral lines is a measure of the size of the quotient v / D. Since D represents the center distance, the position of the spectral lines in the frequency domain allows conclusions to be drawn about the speed (see also the spectral lines at 12 in the diagram in the drawing).

Eine weitere erfindungsgemäße 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 according to the invention is to use a multiple comb filter. The time signal is filtered by such a multi-comb filter in order 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 service. Such a procedure can also be carried out with the aid of filter banks connected in parallel (for example 150 filters), one of the filters being designed for the center frequency f ₀ and the other filters for different multiples of the center frequency and thus each filter representing 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 allows conclusions to be drawn about 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 Schotterflug).
4. Mit geringem Aufwand einbaubar (Das Messgerät wurde beispielsweise mit einem Kabelbinder auf der Lok montiert).
5. Weitgehend unabhängige Wahl des Montageorts.

The advantages of the method according to the invention are as follows:

1. Independent of other measurements.
2. If an IMU is available, this procedure is almost free of charge.
3. Robust measurement: also works in tunnels, without radio and independent of external weather influences and mechanical loads (e.g. due to gravel flying).
4. Can be installed with little effort (for example, the measuring device was mounted on the locomotive with a cable tie).
5. Largely independent choice of installation location.

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 method according to the invention can also be used to detect a train standstill. The additional use of a microphone allows the use of a further cheap sensor, which can be used in a similar way as described above to estimate the speed. Here one could particularly estimate the speed of asynchronous motors (so-called tram whistling 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 using the method according to the invention for speed measurement or estimation of rail vehicles, the method can be used as a supplement to on-board autonomous localization for rail vehicles in autonomously driving or remote-controlled trains and / or in anti-collision systems for trains.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Verschleiß bei Laufrädern eines Schienenfahrzeugs, wie in Anspruch 7 angegeben, durch Vergleich der erfindungsgemäß 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 method according to the invention for the detection of wear on the wheels of a rail vehicle, as specified in claim 7, can be compared by comparing the speed of the rail vehicle determined according to the invention with that in another way, e.g. by a speedometer, determined speed, wear being recognized when the deviation of both speeds exceeds a predetermined difference 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 be carried out almost simultaneously under certain circumstances. The typically very slowly changing impeller geometry parameters, e.g. B. the wheel circumference, is learned (analyzed) by using a speed sensor and in the event of a failure or unfavorable measuring conditions, the / the learned / learned wheel parameters are used for speed measurement. The impeller measurement (analysis) is then “suspended”.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit einem Laufrad, das eine Unwucht und/oder einen von der Kreisform abweichenden Umfang aufweist, mit den folgenden Schritten, - Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug wirkenden, ein- oder mehrdimensionalen Beschleunigungen als 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 sind, - Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und - Ermitteln der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des oder der Beschleunigungssignale, - wobei die Signalverarbeitung eine Waveletanalyse unter Verwendung einer Vielzahl von zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten sequentiell anzuwendenden Wavelets mit einem jedem Wavelet zugeordneten Skalierungsfaktor umfasst und - wobei durch Korrelation dasjenige Wavelet ermittelt wird, das die beste Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Beschleunigungen aufweist, und der diesem Wavelet zugeordnete Skalierungsfaktor die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentiert.Method for determining the speed of a rail vehicle with an impeller that has an imbalance and / or a circumference that deviates from the circular shape, with the following steps, Measuring one-dimensional or multi-dimensional accelerations acting on a moving rail vehicle as vibrations in the vertical direction, as a result of an impeller imbalance and / or a deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle, - Filtering the measurement of the accelerations in order to eliminate DC-related and / or signal components due to speed-independent effects in the measurement and Determining the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signal (s), - The signal processing comprises a wavelet analysis using a plurality of wavelets to be used sequentially at successive times with a scaling factor assigned to each wavelet and - The correlation is used to determine that wavelet which has the best match with the currently measured accelerations, and the scaling factor assigned to this wavelet represents the current speed of the rail vehicle.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die genannte Filterung einer Vielzahl von Beschleunigungssignalmessungen diese in Abschnitte unterteilt und mit der jeweiligen aufgezeichneten Geschwindigkeit skaliert werden, wobei eine anschließende Überlagerung im Zeit- oder Frequenzbereich eine Musterfunktion für eine Geschwindigkeitsbestimmung liefert.Procedure according to Claim 1 , characterized in that filtering a plurality of acceleration signal measurements divides them into sections and scales them with the respective recorded speed, a subsequent superimposition in the time or frequency range providing a sample function for determining the speed.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigungssignal einer Filterung durch ein Kammfilter, das durch eine Mittenfrequenz sowie ganzzahlige Vielfache der Mittenfrequenz definiert ist, unterzogen wird, dass die Leistung des gefilterten Beschleunigungssignals bestimmt wird, dass die Mittenfrequenz des Kammfilters variiert wird, wobei die gesuchte Mittenfrequenz diejenige ist, bei der das gefilterte Beschleunigungssignal maximale Leistung aufweist, und dass die gesuchte Mittenfrequenz für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentativ ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the acceleration signal is subjected to filtering by a comb filter, which is defined by a center frequency and integer multiples of the center frequency, in that the power of the filtered acceleration signal is determined, that the center frequency of the comb filter is varied, the center frequency sought being that is, in which the filtered acceleration signal has maximum power, and that the center frequency sought is representative of the current speed of the rail vehicle.

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit einem Laufrad, das eine Unwucht und/oder einen von der Kreisform abweichenden Umfang aufweist, mit den folgenden Schritten, - Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug wirkenden, ein- oder mehrdimensionalen Beschleunigungen als 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 sind, - Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und - Ermitteln der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des oder der Beschleunigungssignale, - wobei ein Wert für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs angenommen wird und mit diesem Wert ein Matched Filter bestimmt wird, das zwei Delta-Impulse aufweist, deren Abstand gleich dem Quotienten aus dem angenommenen Geschwindigkeitswert und dem Radabstand des Schienenfahrzeugs ist, und - wobei die Leistung des Beschleunigungssignals am Ausgang des Matched Filters bestimmt wird, wobei eine Variation der Annahme für den Wert der aktuellen Geschwindigkeit eine geschwindigkeitsabhängige Schätzung liefert, deren Maximum repräsentativ für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ist. Method for determining the speed of a rail vehicle with an impeller that has an imbalance and / or a circumference deviating from the circular shape, with the following steps, - measurement of one- or multi-dimensional accelerations acting on a moving rail vehicle as vibrations in the vertical direction as a result an impeller imbalance and / or a deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle, - filtering the measurement of the accelerations in order to eliminate DC-related and / or signal components due to speed-independent effects in measuring and - determining the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signal (s), - a value for the current speed of the rail vehicle being assumed and using this value to determine a matched filter t, which has two delta pulses, the distance between which is equal to the quotient of the assumed speed value and the wheelbase of the rail vehicle, and - the power of the acceleration signal at the output of the matched filter being determined, a variation of the assumption for the value of the current speed provides a speed-dependent estimate, the maximum of which is representative of the current speed of the rail vehicle.

Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs mit einem Laufrad, das eine Unwucht und/oder einen von der Kreisform abweichenden Umfang aufweist, mit den folgenden Schritten, - Messen von auf ein fahrendes Schienenfahrzeug wirkenden, ein- oder mehrdimensionalen Beschleunigungen als 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 sind, - Filtern der Messung der Beschleunigungen zur Eliminierung von DC-nahen und/oder von auf geschwindigkeitsunabhängige Effekte zurückzuführenden Signalanteilen in der Messung und - Ermitteln der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs durch Verarbeitung des oder der Beschleunigungssignale, - wobei das Beschleunigungssignal einer Filterung durch ein Kammfilter, das durch eine Mittenfrequenz sowie ganzzahlige Vielfache der Mittenfrequenz definiert ist, unterzogen wird, dass die Leistung des gefilterten Beschleunigungssignals bestimmt wird, dass die Mittenfrequenz des Kammfilters variiert wird, wobei die gesuchte Mittenfrequenz diejenige ist, bei der das gefilterte Beschleunigungssignal maximale Leistung aufweist, und dass die gesuchte Mittenfrequenz für die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs repräsentativ ist.Method for determining the speed of a rail vehicle with an impeller that has an imbalance and / or a circumference that deviates from the circular shape, with the following steps, Measurement of one-dimensional or multidimensional accelerations acting on a moving rail vehicle as vibrations in the vertical direction, as a result of an impeller imbalance and / or a deviation of the circumference of an impeller from the circular shape, the currently measured accelerations being characteristic of the current speed of the rail vehicle, - Filtering the measurement of the accelerations in order to eliminate DC-related and / or signal components due to speed-independent effects in the measurement and Determining the current speed of the rail vehicle by processing the acceleration signal (s), - The acceleration signal is subjected to filtering by a comb filter, which is defined by a center frequency and integer multiples of the center frequency, in such a way that the performance of the filtered acceleration signal is determined, that the center frequency of the comb filter is varied, the center frequency being sought at that the filtered acceleration signal has maximum power, and that the center frequency sought is representative of the current speed of the rail vehicle.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kalibration, die aufgrund einer Abnahme des Durchmessers eines Laufrads bzw. der Laufräder des Schienenfahrzeugs infolge Verschleiß erforderlich wird, die aktuelle Geschwindigkeit anderweitig gemessen wird und der Abgleich entsprechend erfolgt.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that for the purpose of calibration, which is necessary due to a decrease in the diameter of an impeller or the impellers of the rail vehicle as a result of wear, the current speed is measured otherwise and the adjustment is carried out accordingly.

Verfahren zur Detektion von Verschleiß bei Laufrädern eines Schienenfahrzeugs durch Vergleich der gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mit dessen auf andere als in einem der vorhergehenden Ansprüche angegebenen Weise, ermittelten Geschwindigkeit, wobei auf Verschleiß erkannt wird, wenn die Abweichung beider Geschwindigkeiten einen vorgegebenen Differenzwert übersteigt.Method for the detection of wear on wheels of a rail vehicle by comparing the speed of the rail vehicle determined according to the method according to one of the preceding claims with its speed determined in a different way than specified in one of the preceding claims, wear being detected if the deviation of the two Speeds exceed a predetermined difference value.