Schienenfahrzeug und Verfahren zur Erfassung von Gleislagedaten

Technisches Gebiet

[01] Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrzeugrahmen, der auf Schienenfahrwerken abgestützt auf Schienen eines Gleises verfahrbar ist, umfassend eine Messplattform mit einem ersten Inertialmesssystem zur Erfassung von ersten Gleislagedaten. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schienenfahrzeugs.

Stand der Technik

[02] Ein Schienenfahrzeug mit einem Inertialmesssystem zur Erfassung von Gleislagedaten ist beispielsweise aus der AT 523627 A4 bekannt. Mittels einer inertialen Messeinheit (Inertial Measurement Unit, IMU) werden während einer Messfahrt Messdaten einer Trajektorie erfasst. Relativbewegungen der inertialen Messeinheit gegenüber dem Gleis werden mittels Lagemesseinrichtungen kompensiert. Als Resultat liefert das Inertialmesssystem Ist-Gleislagedaten, die zur Errechnung einer Soll- Geometrie des Gleises genutzt werden.

[03] Aus der AT 520526 A4 ist ein Schienenfahrzeug bekannt, bei dem an einem Schienenfahrwerk eine erste Messplattform angeordnet ist. Mittels eines auf der ersten Messplattform befestigten Inertialmesssystems wird ein Gleisverlauf erfasst. Am Wagenkasten des Schienenfahrzeugs ist eine zweite Messplattform mit einem zweiten Inertialmesssystem und mit einer Sensoreinrichtung zur Erfassung von Oberflächenpunkten einer Gleisstrecke angeordnet. Mit dem zweiten Inertialmesssystem wird eine Bewegung der Sensoreinrichtung im dreidimensionalen Raum erfasst.

Darstellung der Erfindung

[04] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Erfassung der Gleislagedaten mit höherer Qualität, insbesondere mit höherer Prozesssicherheit, durchführbar ist. Zudem soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.

[05] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 9. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[06] Dabei ist derselben Messplattform ein zweites Inertialmesssystem zum Messen einer Bewegung der Messplattform zugeordnet, wobei beide Inertialmesssysteme mit einem Computer gekoppelt sind und wobei im Computer ein Algorithmus zum Auswerten von erfassten Gleislagedaten eingerichtet ist. Konkret erfasst in jedem Inertialmesssystem eine inertiale Messeinheit (IMU) die Bewegung der Messplattform im freien Raum mit drei Beschleunigungssensoren und drei Kreiselkompasse. Die Messplattform ist ein starrer Bauteil des Schienenfahrzeugs. Durch die fixe Anordnung der inertialen Messeinheiten beider Inertialmesssysteme auf derselben starren Messplattform wird die Bewegung der Messplattform zweifach erfasst. Damit stehen zusätzliche Messwerte für die Erfassung bzw. Berechnung der Gleislagedaten zur Verfügung. Einerseits sind die erfassten Messdaten zur gegenseitigen Überprüfung nutzbar. Andererseits können bei entsprechender Anordnung der inertialen Messeinheiten aus den sich ergebenden Trajektorien zusätzliche Informationen zur Berechnung der Gleislagedaten gewonnen werden. Präzise Gleislagedaten ergeben sich direkt aus der jeweiligen Trajektorie, wenn die Messplattform mit gegen eine Schiene gepressten Spurkranzrädern entlang des Gleises geführt wird. Andernfalls ist die jeweilige Trajektorie dem Gleisverlauf zumindest angenähert, wobei Abweichungen optional erfassbar und kompensierbar sind. Die Erfassung angenäherter Gleislagedaten ist für manche Anwendungsfälle ausreichend.

[07] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist jedes Inertialmesssystem zur separaten Erfassung von Gleislagedaten eingerichtet. Beide Inertialmesssysteme messen die Gleisgeometrie vorschriftsgemäß, beispielsweise gemäß der Norm EN 13848-2. Mit den beiden in einem Gesamtsystem integrierten Inertialmesssystemen wird die Gleislage redundant aufgenommen. Das Gesamtsystem überprüft sich vollkommen autonom und wiederkehrend. Messfehler werden automatisiert erkannt und sofort korrigiert. Auf diese Weise führen die redundant zur Verfügung stehenden Gleislagedaten zu einer höheren Prozesssicherheit.

[08] Vorzugsweise ist die Messplattform an einem der Schienenfahrwerke, insbesondere als ein mit Radachsen verbundener Messrahmen, angeordnet. Damit können Relativbewegungen der Messplattform gegenüber dem Gleis minimiert werden. Bei einem mit den Radachsen verbundenen Messrahmen sind lediglich Pendelbewegungen der Räder gegenüber den Schienen zu berücksichtigen. Davon abgesehen entsprechen die mittels der inertialen Messeinheiten erfassten Trajektorien dem Gleisverlauf.

[09] Bei einer vorteilhaften Variante ist auf der Messplattform zumindest eine Spurmesseinheit zur Erfassung der Lage der Messplattform gegenüber zumindest einer Schiene des Gleises angeordnet. Damit werden etwaige Relativbewegungen zwischen der Messplattform und der Schiene in Querrichtung zur Gleisachse erfasst. Beispielsweise ist die Spurmesseinheit als Lichtschnittsensors ausgebildet und auf die Innenkante des Schienenkopfes gerichtet. Der exakte Verlauf dieser Schieneninnenkante ist dann aus den mittels der beiden inertialen Messeinheiten erfassten Trajektorien ableitbar.

[10] Eine weitere Verbesserung ermöglicht die exakte Erfassung beider Schienenverläufe, indem auf der Messplattform ein vorderes Spurweitenmesssystem und ein davon in Fahrzeuglängsrichtung beabstandetes hinteres Spurweitenmesssystem angeordnet sind. Damit ist die Lage der Messplattform im Stillstand, bei niedrigen und bei hohen Geschwindigkeiten gegenüber beiden Schienen des Gleises bestimmbar. Zudem ist mit jedem der Spurweitenmesssysteme die Spurweite separat messbar.

[11] Vorteilhafterweise sind im ersten Inertialmesssystem und im zweiten Inertialmesssystem verschiedene Algorithmen zur Verarbeitung von Bewegungsdaten eingerichtet. Damit wird die funktionale Sicherheit erhöht, wodurch höhere Sicherheits-Integritätslevel (SIL) erreicht werden. Eine hohe Gesamtgenauigkeit liegt vor, wenn die mit beiden Algorithmen erzielten Ergebnisse innerhalb eines schmalen Toleranzbereichs liegen. Entsprechende Genauigkeitsvorgaben sind in der Norm EN 13848-2 definiert. [12] Des Weiteren erfolgt eine Erhöhung der funktionalen Sicherheit, wenn das erste Inertialmesssystem und das zweite Inertialmesssystem verschiedene Hardwarekomponenten, insbesondere verschiedene inertiale Messeinheiten, umfassen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass etwaige systeminhärente Fehlerquellen sofort erkannt und korrigiert werden können.

[13] Zur Erfassung einer vom Schienenfahrzeug zurückgelegten Wegstrecke ist vorteilhafterweise an einer Radachse ein Odometer angeordnet. Die mittels der Inertialmesssysteme erfassten Daten werden gemeinsam mit dem gemessenen Weg ausgewertet. Des Weiteren können mehrere hintereinander angeordnete Spurweitenmesssysteme zur Wegmessung genutzt werden. Dabei werden geringfügige Änderungen im Verlauf der Spurweite genutzt. Jede Stelle des Gleises weist in ihrer Umgebung einen charakteristischen Spurweitenverlauf auf. Somit kann aus der Messung des Spurweitenverlaufs auf die entsprechende Stelle im Gleis und in weiterer Folge auf einen zurückgelegten Weg geschlossen werden. Diese Nutzung der Spurweitenmesssysteme ist auch zur Überprüfung des mittels des Odometers gemessenen Weges einsetzbar. Das steigert wiederum die funktionale Sicherheit, weil die Wegstrecke mit zwei voneinander unabhängigen und physikalisch unterschiedlich funktionierenden Systemen erfasst wird.

[14] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des beschriebenen Schienenfahrzeugs wird mittels beider Inertialmesssysteme eine Bewegung der Messplattform gemessen, wobei aus der gemessenen Bewegung Gleislagedaten abgeleitet werden und wobei die Gleislagedaten mittels des im Computer eingerichteten Algorithmus ausgewertet werden. Die zweifache Bewegungsmessung derselben Messplattform erhöht die Gesamtgenauigkeit und die Prozesssicherheit.

[15] Vorteilhafterweise werden mittels des ersten Inertialmesssystems erste Gleislagedaten und mittels des zweiten Inertialmesssystems zweite Gleislagedaten erfasst, wobei insbesondere Längshöhendaten, Pfeilhöhendaten, Verwindungsdaten, Überhöhungsdaten und Spurweitendaten als jeweilige Gleislagedaten erfasst werden. Bei dieser Erfindungsausprägung erfasst zunächst jedes der beiden Inertialmesssysteme unabhängig vom jeweils anderen Inertialmesssystem die Gleislagedaten. Erst danach erfolgt eine gemeinsame Auswertung mittels des Computers.

[16] In einer bevorzugten Weiterbildung wird mittels des Algorithmus zumindest eine Auswahl erster Gleislagedaten mit einer entsprechenden Auswahl zweiter Gleislagedaten verglichen, wobei eine Fehlermeldung generiert wird, wenn eine Differenz zwischen den verglichenen Gleislagedaten eine Toleranzgrenze erreicht. Mit dieser laufenden Integritätsprüfung wird eine hohe funktionale Sicherheit erreicht.

[17] Von Vorteil ist eine Registrierung der Fehlermeldung in einem digitalen Messprotokoll. Ein solches Messprotokoll stellt sicher, dass die mit den Inertialmesssystemen durchgeführten Messungen nachvollziehbar bleiben. Die digitale Fehlerregistrierung ermöglicht eine automatische Weiterverarbeitung der Messergebnisse, wobei mittels eines maschinellen Lernalgorithmus wiederkehrende Fehler erkannt und kompensiert werden können.

[18] Bei einer weiteren Verbesserung des Verfahrens werden mittels einer an der Messplattform angeordneten Spurmesseinheit Lagedaten der Messplattform gegenüber zumindest einer Schiene des Gleises erfasst. Damit sind Relativbewegungen der Messplattform gegenüber der Schiene in Gleisquerrichtung auf einfache Weise kompensierbar.

[19] In einer bevorzugten Weiterbildung werden auf Basis der Lagedaten mittels einer dem ersten Inertialmesssystem zugeordneten Auswerteeinrichtung die ersten Gleislagedaten und mittels einer dem zweiten Inertialmesssystem zugeordneten Auswerteeinrichtung die zweiten Gleislagedaten berechnet. Jedes Inertialmesssystem ist somit zur separaten Erfassung der Gleislagedaten eingerichtet, wobei Relativbewegungen der Messplattform gegenüber dem Gleis mit denselben Lagedaten kompensiert werden.

[20] Vorteilhafterweise wird die Lage der Messplattform mittels eines vorderen Spurweitenmesssystems und eines hinteren Spurweitenmesssystems erfasst, wobei damit erfasste Spurweitendaten mit Spurweitendaten eines weiteren am Schienenfahrzeug angeordneten Spurweitenmesssystems abgeglichen werden. Neben der exakten Lageerfassung der Messplattform ermöglicht diese Verfahrensverbesserung eine redundante Wegerfassung auf Basis des charakteristischen Spurweitenverlaufs. Das steigert die Messgenauigkeit und die Prozesssicherheit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[21] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Schienenfahrzeug auf einem Gleis in Seitenansicht

Fig. 2 Schienenfahrzeug auf einem Gleis in Schrägansicht

Fig. 3 Querschnitt eines Schienenfahrzeugs auf einem Gleis Fig. 4 Fahrwegmessung mit zwei Spurweitenmesssystemen

Beschreibung der Ausführungsformen

[22] Das in Fig. 1 darstellte Schienenfahrzeug 1 umfasst einen Fahrzeugrahmen 2, der auf Schienenfahrwerken 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Das Gleis 4 umfasst zwei Schienen 5, die auf in einem Schotterbett 6 gelagerten Schwellen 7 befestigt sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine nicht dargestellt Feste Fahrbahn, bei der die Schienen 5 auf einem festen Oberbau aus Beton befestigt sind. Das Schienenfahrzeug 1 ist beispielsweise ein Messfahrzeug oder eine Gleisbaumaschine mit einem Arbeitsaggregat 8 zur Gleisbearbeitung.

[23] Das dargestellte Schienenfahrzeug 1 umfasst mehrere Messplattformen 9, die zueinander beweglich sind. Beispielsweise ist auf einer der Messplattformen 9 im Frontbereich ein optisches Messsystem 10 zur Erfassung von Oberflächenpunkten des Gleises 4 aufgebaut. Zwischen den Schienenfahrwerken 3 befindet sich eine weitere Messplattform 9 mit darauf befestigten Spurweitenmesssystemen 11, die jeweils auf die Schienen 5 gerichtete Spurmesseinheiten 12 umfassen. Die jeweilige Spurmesseinheit 12 ist zum Beispiel ein Lichtschnittsensor, der die Lage der Messplattform 9 gegenüber der zugeordneten Schiene 5 erfasst.

[24] Zudem ist an einem der Schienenfahrwerke 3 eine als Messrahmen ausgebildete Messplattform 9 angeordnet. Relativbewegungen zwischen dieser Messplattform 9 und den anderen Messplattformen 9 ergeben sich durch die Federung, Lenkung und Neigung des Schienenfahrwerks 3 gegenüber dem Fahrzeugrahmen 2. Dem starren Messrahmen sind ein erstes und ein zweites Inertialmesssystem 13 zugeordnet. Dabei sind zumindest die inertialen Messeinheiten 14 der beiden Inertialmesssysteme 13 in ihrer Lage zueinander unveränderlich auf der Messplattform 9 fixiert. Der Begriff inertiale Messeinheit (IMU) bezeichnet das eigentliche Messinstrument zur Drehraten- und Beschleunigungsmessung. Das jeweilige Inertialmesssystem 13 ist zudem in der Lage, Korrekturalgorithmen abzuarbeiten und die Position zu bestimmen. Gewöhnlich sind das Messinstrument und ein Mikrocontroller 20 in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Die Komponenten können jedoch auch auf mehrere Gehäuse aufgeteilt sein.

[25] Aus den mittels des jeweiligen Inertialmesssystems 13 erfassten Bewegungsdaten ist eine Trajektorie 15 der zugeordneten inertialen Messeinheit 14 ableitbar. Als Bezugssystem dient in der Regel ein Koordinatensystem mit dem Ursprung an der Startposition einer Messfahrt. Sobald sich das Schienenfahrzeug 1 in Bewegung setzt, werden entlang der beiden Trajektorien 15 Positionspunkte erfasst, deren Koordinaten in weiterer Folge für Auswertungen zur Verfügung stehen.

[26] Der zurückgelegte Weg wird beispielsweise mittels eines Odometers 16 erfasst. Alternativ dazu oder zusätzlich dienen die Spurweitenmesssysteme 11 zur Wegerfassung. Während einer Vorwärtsfahrt des Schienenfahrzeugs 1 erfasst jedes Spurweitenmesssystem 11 einen Verlauf der Spurweite g über einer Fahrzeit t, wie in Fig. 4 dargestellt. Weil beide Spurweitenmesssysteme 11 dasselbe Gleis 4 unmittelbar hintereinander vermessen, ergeben sich zwei annähernd idente Spurweitenverläufe mit einem zeitlichen Versatz At. Dieser zeitliche Versatz At wird ausgewertet, wobei sich mit einem fixen Abstand a der Spurweitenmesssysteme 9 zueinander die aktuelle Fahrgeschwindigkeit und der zurückgelegte Fahrweg bestimmen lassen. Auf diese Weise werden die Spurweitenmesssysteme 11 zusätzlich zur Lage- und Spurweitenmessung auch für die Wegmessung eingesetzt.

[27] Zudem steigert die mehrfach durchgeführte Spurweitenmessung die Prozesssicherheit. Dazu sind die Spurweitenmesssysteme 11 mit einem Computer 17 gekoppelt. Der Computer 17 vergleicht laufend die Eingangsparameter in Form der Gleisspuren. Verglichen werden beispielsweise die Messergebnisse einer ersten Gruppe der am Fahrzeugrahmen 2 angeordneten Spurweitenmesssysteme 11 mit den Messergebnissen einer zweiten Gruppe der am Schienenfahrwerk 3 angeordneten Spurweitenmesssysteme 11. Letztere sind mit den Inertialmesssystemen 13 gekoppelt. Aus den Messergebnissen der ersten Gruppe wird zum Beispiel ein Mittelwert gebildet, welcher über einen bekannten Längs-Offset b laufend mit einem aktuellen Messwert der zweiten Gruppe verglichen wird. Bei zu starken Abweichungen wird eine Fehlermeldung generiert.

[28] Auch beide Inertialmesssysteme 13 sind mit dem Computer 17 gekoppelt.

Mittels eines im Computer 17 eingerichteten Algorithmus werden die erfassten Gleislagendaten ausgewertet, wobei auch die Integrität der Daten geprüft wird. Im einfachsten Fall werden die mittels der Inertialmesssysteme 13 erfassten Daten laufend verglichen. Sobald eine Differenz eine Toleranzgrenze erreicht, wird eine Fehlermeldung generiert. Das ist sinnvoll, wenn die inertialen Messeinheiten 14 unmittelbar nebeneinander auf der Messplattform 9 angeordnet sind. Dann ist davon auszugehen, dass bei einem fehlerfreien Betrieb synchron dieselben Bewegungsdaten erfasst werden. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 2, wobei zur besseren Sichtbarkeit der einzelnen Komponenten ein Wagenkasten des Schienenfahrzeugs 1 von den Schienenfahrwerken 3 abgehoben dargestellt ist.

[29] Vorteilhafterweise unterscheiden sich die beiden Inertialmesssysteme 13 durch die verbauten Hardwarekomponenten. Um die Prozesssicherheit weiter zu steigern, unterscheiden sich die beiden Inertialmesssysteme 13 auch durch die eingerichteten Algorithmen und Filter zur Verarbeitung der Bewegungsdaten. Die Verwendung unterschiedlicher Systeme zur Erfassung und Verarbeitung der Bewegungsdaten erhöht den Sicherheits-I ntegritätslevel. Erfüllt wird diese Vorgabe beispielsweise durch den Einsatz von Inertialmesssystemen 13 unterschiedlicher Hersteller.

[30] Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die beiden Inertialmesssysteme 13 automatisch zu kalibrierten, indem die Messergebnisse laufend aufeinander abgestimmt werden. Eine bei inertialen Messeinheiten 14 üblicherweise auftretende Drift kann damit kompensiert werden. [31] Mit einer beabstandeten Anordnung der inertialen Messeinheiten 14 auf der Messplattform 9 werden zusätzliche Informationen gewonnen. Im Beispiel in Fig. 1 ist die erste inertiale Messeinheit 14 an einem vorderen Querbalken des Messrahmens angeordnet und die zweite inertiale Messeinheit 14 ist an einem hinteren Querbalken des Messrahmens angeordnet. Auf diese Weise wird die Bewegung der Messplattform 9 im Raum an unterschiedlichen Stellen erfasst. Aus den sich ergebenden Bewegungsdaten lässt sich die Vorwärtsbewegung des Schienenfahrzeugs 1 ableiten.

[32] Mit den jeweils vorne und hinten am Messrahmen angeordneten Spurweitenmesssystemen 11 wird die Lage des Messrahmens gegenüber den Schienen 5 bestimmt. Fig. 3 zeigt eines dieser Spurweitenmesssysteme 11 mit zwei Spurmesseinheiten 12. In jeder Spurmesseinheit 12 projiziert eine Laserquelle 18 einen Lichtfächer auf die zugeordnete Schiene 5. Die sich ergebende Projektion auf der Schiene 5 wird mittels einer Kamera 19 erfasst und in einem Mikrocontroller 20 ausgewertet. Auf diese Weise wird die Lage der Spurmesseinheit 12 gegenüber der zugeordneten Schiene 5 erfasst. Alle vier am Messrahmen angeordnete Spurmesseinheiten 12 liefern Lagedaten des Messrahmens gegenüber den Schienen 5.

[33] In einer Auswerteeinrichtung 21 werden die mittels der Spurweitenmesssysteme 11 erfassten Lagedaten genutzt, um aus der jeweiligen Trajektorie 15 auf die Gleislage rückzuschließen. Über die bekannte geometrische Anordnung der inertialen Messeinheiten 14 und der Spurmesseinheiten 12 zueinander werden die Koordinaten der jeweiligen Trajektorie 15 auf die jeweilige Schiene 5 transformiert. Daraus ergeben sich in weiterer Folge die relevanten Gleisparameter, insbesondere die Spurweite, die Richtung bzw. Pfeilhöhe, die Längshöhe, die Überhöhung und die Verwindung des Gleises 4. Vorteilhafterweise ist jedem Inertialmesssystem 13 eine eigene Auswerteeinrichtung 21 zugeordnet. In weiterer Folge werden die zweifach ermittelten Gleislagedaten im Computer 17 ausgewertet und deren Integrität überprüft.

[34] Durch die Zusammenführung der Messdaten wird die Gesamtgenauigkeit erhöht. Fehler werden sofort erkannt und bei der Weiterverarbeitung der Gleislagedaten berücksichtigt. Das geschieht beispielsweise durch stochastische Vergleiche der mit den unterschiedlichen Einzelmesssystemen ermittelten Gleisparameter. Mittels statistischer Auswertungen können Messungenauigkeiten ausgeglichen und punktuelle Messfehler ausgeblendet werden. Die Norm EN 13848-2 definiert die erforderliche Genauigkeit. Für jedes Einzelmesssystem müssen 95% der Messergebnisse innerhalb der vorgegeben Toleranz liegen. Durch die erfindungsgemäße Redundanz der Einzelmesssysteme ergibt sich eine höhere Gesamtgenauigkeit, bei der bis zu 99% der zusammengeführten Messergebnisse innerhalb der Toleranz liegen.