DE19729990B4

DE19729990B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen

Info

Publication number: DE19729990B4
Application number: DE19729990A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Mindel
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1997-07-12
Filing date: 1997-07-12
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2017-07-13
Also published as: DE19729990A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen (F) mit Hilfe von entlang der Wegstrecke angeordneten Markierungen, wobei
als Markierungen Schwellen (SL) oder Schienenbefestigungen (SB) verwendet werden, wobei
a) zwei Sensoren (S1, S2), die auf dem Schienenfahrzeug (F) in Fahrtrichtung hintereinander im Abstand L₀ angeordnet sind, Schwellen (SL) oder Schienenbefestigungen (SB) registrieren
b) und die Zeiten der Registriervorgänge in einem Speicher gespeichert werden
c) und ein Rechner die zurückgelegte Wegstrecke und/oder die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs unter Verwendung der gespeicherten Zeiten und des Abstandes L₀ berechnet,
wobei der Abstand der zwei Sensoren L₀ fast so groß ist wie der mittlere Abstand der Schwellen (SL).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Aus der DE-A1-32 00 811 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Standortes eines spurgeführten Fahrzeugs bekannt, bei dem wenigstens zwei Leseeinrichtungen, die in Fahrtrichtung hintereinander auf dem Fahrzeug befestigt sind, an der Strecke angebrachte Markierungen registrieren. Das Verfahren soll insbesondere zur hochgenauen Standortbestimmung bei Rangier- und Verladevorgängen einsetzbar sein. Daher müssen die Markierungen sehr eng beieinander liegen und sind deswegen vorzugsweise als Löcher oder Zähne in einer am Gleiskörper zu befestigenden Schiene ausgeführt. Da der erforderliche Aufwand für das Anbringen der Markierungen hoch ist, ist dieses Verfahren zur Standortbestimmung bei Fernstrecken aus Kostengründen kaum anwendbar.
Aus der WO 89/08544 ist bekannt, unter dem Gleiskörper oder in den Schwellen in regelmäßigen Abständen Markierungen anzubringen, die ein elektromagnetisches Feld abstrahlen und so von einem darüberfahrenden Schienenfahrzeug detektiert werden können. Falls die Markierungen in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, so ist eine Standortbestimmung durch Zählen der passierten Markierungen möglich. Referenzpunkte können dadurch geschaffen werden, daß einzelne Markierungen über Funk eine präzise Standortinformation abstrahlen. Da die Markierungen über Batterien betrieben werden, sind keine bei Bauarbeiten störenden Zuleitungen vorhanden. Die Kosten für die Markierungen und die Installation sind allerdings sehr hoch.
Ferner ist aus der DE-A-25 06 605 eine Anordnung zur Geschwindigkeits- und Fahrwegmessung bekannt, bei der die Antenne eines mitgeführtes Doppler-Radargeräts auf die Schienenbefestigungen gerichtet ist, mit denen die Schiene an den Schwellen oder am Fahrbahnuntergrund befestigt ist. Bei dem dort vorgeschlagenen Meßverfahren werden diese Befestigungen allerdings nicht als zählbare Markierungen verwendet, sondern dienen als das Radarsignal reflektierender, sich relativ zum Fahrzeug bewegender Untergrund.
Aus der DE 25 06 605 B2 ist eine Anordnung zur Geschwindigkeits- oder Fahrwegmessung von Schienenfahrzeugen mittels eines mitgeführten Doppler-Radargerätes bekannt, dessen Antenne schräg auf die Gleitstraße gerichtet ist. Die Antenne ist auf die der Befestigung der Schienen an den Schwellen oder am Fahrbahnuntergrund dienenden Befestigungsmittel ausgerichtet.
Die JP 06-324064A beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und Geschwindigkeit eines bewegten Körpers, z. B. eines Zuges, der eine Detektoreinrichtung mitführt. Die Detektoreinrichtung detektiert Schrauben, Bolzen oder Muttern zur Befestigung der Schienen am Boden.
Die DE 22 15 255 A offenbart eine Einrichtung für Wegmessungen bei Fahrzeugen, welche gegenüber einer Schienenanordnung freischwebend gehalten und geführt sind. Es sind in regelmäßigen Abständen wiederkehrende Festpunkte der Schienenanordnung oder einer zugehörigen Tragkonstruktion zur Unterteilung des Fahrweges der Fahrzeuge in Wegelemente als Zählschritte für ein digitales Wegmesssystem der Fahrzeuge vorgesehen.
Aus der JP 56-010256A ist ein Geschwindigkeitsmesser zur kontaktlosen Messung der Fahrtgeschwindigkeit eines Schienen- Fahrzeugs bekannt, bei dem eine Mehrzahl von Sensoren in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet ist. Die Fahrtgeschwindigkeit wird hierbei aus einer Zeitdifferenz zwischen Pulsen, die auftreten, wenn das Fahrzeug eine Schienen-Verbindungsstelle passiert, und dem Abstand zwischen den Sensoren ermittelt.
Die DE 26 17 943 B2 beschreibt eine Einrichtung für berührungslose Weg- und Geschwindigkeitsmessungen bei spurgebundenen Fahrzeugen mittels magnetischer Geber und zugeordneter magnetisch wirksamer Wegmarkierungen, wobei die Wegmarkierungen aus vorgegebenen Permeabilitätsänderungen längs einer Anordnung von in regelmäßigen, zur Fahrzeuglänge engen Abständen längs des Fahrwegs angeordneten und quer zur Fahrweglängsrichtung sich erstreckenden magnetischen Leitern jeweils gleicher Abmessungen resultieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen anzugeben, welches eine hohe Meßgenauigkeit bei gleichzeitig niedrigem Installationsaufwand ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Erfindungsgemäß werden bereits vorhandene Schwellen oder Schienenbefestigungen als Markierungen verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert somit keinerlei bauliche Maßnahmen entlang der Fahrwege. Das Verfahren kann daher eingesetzt werden, ohne daß das gesamte Streckennetz des Bahnbetreibers mit Markierungen nachgerüstet werden müßte. Fahrzeuge, die eine Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführen sollen, benötigen lediglich einen oder mehrere geeignete Sensoren, mit denen sich das Überfahren einer Schwelle oder einer Schienenbefestigung registrieren läßt. Der mittlere Abstand der Schwellen bzw. der Schienenbefestigungen liegt zwischen etwa 55 und 80 cm, so daß sich ohne weitere zusätzliche Meßeinrichtungen eine Genauigkeit des Wegstreckenmessung von unter 1 m erzielen läßt. Für die meisten modernen Zugsteuerungssysteme ist dies bereits ausreichend.
Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Verfahrens kann weiter erhöht werden, wenn das Verfahren durch weitere bereits bekannte Meßverfahren unterstützt wird. In Frage kommen hier beispielsweise eine satelliten- oder balisengestützte Positionsbestimmung oder Messungen mit Hilfe von Intertialträgheitssystemen, Radimpulsgebern oder Doppler-Radar-Geräten.
Erfindungsgemäß registrieren zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Sensoren das Überfahren von Schwellen oder Schwellenbefestigungen. Die Zeiten der einzelnen Registriervorgänge werden gespeichert und einem Rechner zugeführt. Dieser kann aus den Zeiten bei bekannten Abstand der Sensoren den Abstand der Schwellen mit hoher Genauigkeit bestimmen. Der zurückgelegte Weg ergibt sich dann durch Aufsummieren der einzelnen Schwellenabstände. Damit läßt sich das Verfahren auch dann vorteilhaft einsetzen, wenn der Abstand der Schwellen voneinander recht stark variiert und eine einfache Zählung der Schwellen zu ungenau ist. Da der Abstand der Sensoren voneinander fast gleich dem mittleren Abstand der Schwellen ist, sind hierbei so hohe Genauigkeiten erzielbar, daß in vielen Fällen auf eine Unterstützung durch andere Meßverfahren vollständig verzichtet werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigen:
1: Ein Schienenfahrzeug F in vereinfachter seitlicher Darstellung.
Unter dem Fahrzeug sind Sensoren S1 und S2 angebracht zum Registrieren von Schwellen oder Schienenbefestigungen.
2: Draufsicht auf ein Gleis GL. Eingezeichnet ist eine mögliche Anordnung der Sensoren.
3: Weg-Zeit-Diagramm zur Erläuterung eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4.
4: Vereinfachte Darstellung eines Sensors zum Registrieren von Schienenbefestigungen.
5: Vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt in einer vereinfachten seitlichen Darstellung ein Schienenfahrzeug F auf einem Gleis GL. Wie in der in 2 dargestellten Draufsicht erkennbar, besteht das Gleis GL aus Schienen SCH, Schwellen SL und Schienenbefestigungen SB, die die Schienen SCH mit den Schwellen SL verbinden. Das Fahrzeug F ist mit wenigstens einem Sensor S1 ausgestattet, welcher so an der Fahrzeugunterseite befestigt ist, daß er während der Fahrt in geringem Abstand die Schwellen oder die Schienenbefestigungen überstreicht. Der Sensor umfaßt Mittel, mit denen ein Überfahren der Schwellen SL oder der Schienenbefestigungen SB registriert werden kann. Bei bekannten Abstand der Schwellen voneinander kann so durch einfaches Zählen der Schwellen die vom Fahrzeug zurückgelegte Wegstrecke ermittelt werden. Durch Ableiten nach der Zeit läßt sich daraus auch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmen.
In vielen Streckennetzen ist jedoch der Abstand der Schwellen nicht überall gleich, so daß das bloße Zählen von Schwellen zu Fehlmessungen führen kann. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind daher zwei Sensoren S1 und S2 im Bereich des Fahrzeugdrehgestells DG angeordnet. Wenn der Abstand L₀, den die Sensoren S1 und S2 zueinander in Fahrtrichtung haben, in etwa gleich ist dem mittleren Schwellenabstand, so läßt sich der Abstand zwischen jeweils zwei Schwellen sehr genau bestimmen. Die zurückgelegte Wegstrecke ergibt sich dann durch Aufsummieren über die einzelnen Schwellenabstände.
3 zeigt ein Weg-Zeit-Diagramm, anhand dessen nachfolgend erläutert wird, wie mit Hilfe von zwei Sensoren S1 und S2 der Abstand zwischen zwei Schwellen ermittelt wird. Zur Zeit t = 0 werde ein Bremsvorgang eingeleitet, der das Fahrzeug auf einer annähernd parabelförmigen Bremskurve zum Stehen bringt. Der Abstand der beiden Sensoren voneinander in Fahrtrichtung beträgt L₀. Zur Zeit t₁ überfährt der in Fahrtrichtung vorne liegende Sensor S1 die Schienenbefestigung SB1. Dieser Zeitpunkt wird registriert und gespeichert. Zur Zeit t₂ überfährt derselbe Sensor die darauffolgende Schienenbefestigung SB2, was ebenfalls registriert und gespeichert wird. Kurz darauf, zur Zeit t₃, überfährt der zweite Sensor S2 die erste Schienenbefestigung SB1. Die Zeitspanne, die zwischen dem Überfahren der Schienenbefestigung SB1 durch den ersten und den zweiten Sensor vergangen ist, beträgt somit Δ₁ = t₃ – t₁. Während dieser Zeitspanne Δ₁ hat sich das Fahrzeug F um den Abstand der beiden Sensoren L₀ vorwärts bewegt. Die mittlere Geschwindigkeit v_m beträgt daher in diesem Intervall v_m = L₀/Δ₁.
Der erste Sensor S1 benötigt zum Zurücklegen des Weges zwischen den beiden Schienenbefestigungen SB1 und SB2 die Zeitspanne Δ₂ = t₂ – t₁. Mit diesem Wert und der mittleren Geschwindigkeit v_m kann nun ein Näherungswert d_sa für den Abstand d_s zwischen den beiden Schienenbefestigungen SB1 und SB2 berechnet werden. Es gilt: ds ≈ dsa = vm·Δ2.
Wie man in 3 erkennen kann, stimmt der Näherungswert d_sa für den Abstand der Schienenbefestigungen mit dem tatsächlichen Wert d_s umso besser überein, je mehr sich die Weg-Zeit-Kurve im betrachteten Intervall einer Geraden annähert, d. h. je geringer die (Brems-)Beschleunigung des Fahrzeugs ist. Um auch im Falle großer (Brems-)Beschleunigungen genaue Werte zu erhalten, wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Geschwindigkeit im Intervall zwischen t₁ und t₃ nicht durch eine Gerade, sondern durch eine Kurve angenähert. Eine solche Kurve kann mit Hilfe bekannter Interpolationsfunktionen berechnet werden, da die Geschwindigkeiten für zurückliegende Zeitintervalle bekannt sind und sich der Bewegungszustand des Fahrzeugs nicht abrupt ändern kann. Gegebenenfalls können bei dieser nichtlinearen Näherung die dynamischen Eigenschaften des Fahrzeuges oder des Fahrzeugverbandes, z. B. das Gewicht, die Antriebsleistung oder der Reibbeiwert, berücksichtigt werden.
Bei dem in 3 dargestellten Beispiel passiert der erste Sensor S1 die zweite Schienenbefestigung SB2, bevor der zweite Sensor S2 die erste Schienenbefestigung SB1 überstreicht. Der Abstand der Sensoren L₀ ist hier also größer als der Abstand der Schienenbefestigungen. Ebenso ist natürlich der umgekehrte Fall möglich. Es ist dann lediglich die zeitliche Abfolge der Zeiten t₂ und t₃ vertauscht; die Berechnung des Näherungswertes für den Abstand der Schienenbefestigungen d_sa bleibt davon unberührt.
Das soeben geschilderte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es somit, auch bei wechselnden Abständen zwischen den einzelnen Schwellen oder Schienenbefestigungen die zurückgelegte Wegstrecke und damit die Geschwindigkeit zuverlässig und genau zu bestimmen. Die Verwendung eines zweiten Sensors hat überdies den Vorteil, daß die von den beiden Sensoren gelieferten Signale korreliert werden können. Dadurch wirken sich unterschiedliche Signalformen, wie sie etwa durch wechselnde Bauarten von Schienenbefestigungen herrühren können, nur wenig auf die Meßgenauigkeit aus. Ferner läßt sich der Zeitpunkt, in dem eine Schwelle oder eine Schienenbefestigung registriert wird, wesentlich genauer bestimmen als dies bei der Verwendung nur eines Sensors der Fall wäre.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, anstelle von zwei Sensoren vier Sensoren zu verwenden. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung zeigt 2. Auf jeder Seite der Schiene SCH registrieren je zwei Sensoren S1, S2 bzw. S3, S4 die Schienenbefestigungen SB. Insbesondere im Bereich von Weichen, bei denen die Schienenbefestigungen für die durchgehenden und die abzweigenden Schienen sehr dicht liegen, kann so eine zuverlässigere Messung durchgeführt werden. Ebenso ist es möglich, beispielsweise die Sensoren S3 und S4 die Schienenbefestigungen an der anderen Schiene des Gleises GL registrieren zu lassen.
Die Sensoren selbst können, je nachdem, ob Schwellen oder Schienenbefestigungen registriert werden sollen, in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Mit Sensoren, die ein von einem Sender ausgestrahltes Ultraschallsignal empfangen und auswerten, kann beispielsweise die im Vergleich zum Schotterbett glatte Oberfläche von Schwellen registriert werden. Bei Schnee, dicken Schmutzschichten oder auch bei festen Oberbau-Formen, bei denen die Schienen nicht auf einem Schotterbett, sondern auf einem Betonkörper befestigt sind, versagt allerdings diese Art von Registrierung. Daher wird es im allgemeinen vorzuziehen sein, die Schienenbefestigungen und nicht die Schwellen als Markierungen für die Wegmessung zu verwenden. Schienenbefestigungen sind auch beim festen Oberbau vorhanden und haben gegenüber Schwellen den Vorteil, grundsätzlich aus Metall zu bestehen. Damit können Schienenbefestigungen auch bei einer darüberliegenden Schnee- oder Schmutzschicht mit Hilfe elektromagnetischer Felder zuverlässig registriert werden.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Sensor S zum Registrieren von Schienenbefestigungen zeigt 4. Der Sensor S ist im Prinzip genauso aufgebaut wie ein Achszähler, so daß an dieser Stelle auf eine eingehende Beschreibung verzichtet werden kann. Eine von einer Wechselspannungsquelle GEN versorgte Sendespule SS erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches in einer in der Näher angeordneten Empfangsspule ES einen Wechselstrom induziert. Durch Einbringen eines metallischen Körpers, etwa einer Schienenbefestigung, in das von der Sendespule SS erzeugte Feld wird die induktive Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule verstärkt, so daß die Spannungsamplitude in der Empfangsspule steigt. Dieser Anstieg wird in einer Auswerteschaltung ausgewertet und bei Überschreiten einer Schwelle als Zählimpuls gewertet. im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal der Empfängerspule ES zunächst in einem A/D-Wandler digitalisiert und anschließend in einer digitalen Recheneinheit CPU ausgewertet.
5 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung VOR zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung VOR umfaßt in diesem Beispiel vier Sensoren S1...S4, die ihre Zählimpulse an eine zentrale Recheneinheit CPU weitergeben. Die zentrale Recheneinheit CPU erhält von einer Uhr U die Zeit und speichert jeden Zählimpuls zusammen mit der Zeit der Registrierung im Speicher MEM ab. Aus den gespeicherten Registrierzeiten und evtl. zusätzlichen Werten, etwa dem Abstand der Sensoren-Paare L₀, berechnet die zentrale Recheneinheit in der oben geschilderten Weise den zurückgelegten Weg und die Geschwindigkeit und gibt die berechneten Werte an den Ausgang OUT ab. Wenn, wie oben erläutert, das Verfahren mit Hilfe einer nichtlinearen Näherung durchgeführt wird, so werden im Speicher MEM auch zeitlich weiter zurückliegende Werte für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs gespeichert und der zentralen Recheneinheit CPU zur Verfügung gestellt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen (F) mit Hilfe von entlang der Wegstrecke angeordneten Markierungen, wobei als Markierungen Schwellen (SL) oder Schienenbefestigungen (SB) verwendet werden, wobei a) zwei Sensoren (S1, S2), die auf dem Schienenfahrzeug (F) in Fahrtrichtung hintereinander im Abstand L₀ angeordnet sind, Schwellen (SL) oder Schienenbefestigungen (SB) registrieren b) und die Zeiten der Registriervorgänge in einem Speicher gespeichert werden c) und ein Rechner die zurückgelegte Wegstrecke und/oder die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs unter Verwendung der gespeicherten Zeiten und des Abstandes L₀ berechnet, wobei der Abstand der zwei Sensoren L₀ fast so groß ist wie der mittlere Abstand der Schwellen (SL).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Rechner bei der Berechnung der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit a) aus der Zeitspanne Δ₁, die vergeht zwischen der Registrierung einer ersten Markierung durch einen Sensor und der Registrierung derselben Markierung durch den anderen Sensor, und aus dem Abstand L₀ zwischen den beiden Sensoren eine mittlere Geschwindigkeit gemäß v_m = L₀/Δ₁ berechnet, b) und bei dem der Rechner aus der mittleren Geschwindigkeit v_m und aus der Zeitspanne Δ₂, die vergeht zwischen der Registrierung der ersten Markierung durch den einen Sensor und der Registrierung einer der ersten Markierung unmittelbar folgenden zweiten Markierung durch denselben Sensor, einen Näherungswert d_sa für den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Markierung gemäß d_sa = v_m·Δ₂ berechnet.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Näherungswert d_sa für den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Markierung nicht mit Hilfe einer in linearer Näherung ermittelten Geschwindigkeit v_m, sondern mit Hilfe einer in nichtlinearer Näherung ermittelten Geschwindigkeit berechnet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke und der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen mit wenigstens einem am Schienenfahrzeug befestigten Sensor zum Registrieren von entlang der Wegstrecke angeordneten Markierungen, mit: a) wenigstens zwei Sensoren (S1...S4 in 5), die Mittel zum Registrieren von Schwellen oder Schienenbefestigungen umfassen und die auf dem Schienenfahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander im Abstand L₀ angeordnet sind, b) einer Uhr (U) zum Messen der Zeiten der Registriervorgänge für jeden Sensor, c) einem Speicher (MEM) zum Speichern der Zeiten der Registriervorgänge, d) und einem Rechner (CPU) zum Berechnen der zurückgelegten Wegstrecke und/oder der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs unter Verwendung der gespeicherten Zeiten und des Abstandes L₀, wobei der Abstand der zwei Sensoren L₀ fast so groß ist wie der mittlere Abstand der Schwellen.