Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Gleisfreimeldung unter der Verwendung von Gleisstromkreisen.

Für die Betriebsführung von Eisenbahnen ist die Information über die Belegung eines Gleisabschnitts durch ein Fahrzeug unbedingt erforderlich. Sie spielt beim Stellen und Auflösen von Fahrstrassen eine wichtige Rolle. Für die Erkennung einer Belegung existieren zahlreiche verschiedene Techniken. Ausgangslage dieser Erfindung ist der weit verbreitete Gleisstromkreis mit dem klassischen technischen Ansatz des Stromkreises. Ein derartiger Gleisstromkreis ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 24 45 397 A1 ausführlich beschrieben. Das Funktionsprinzip ist relativ einfach und wird kurz vorgestellt. Eine Schiene des zu überwachenden Gleises wird an zwei Stellen aufgetrennt und isoliert. Der Sender legt an einem Ende des isolierten Abschnitts eine Spannung an. Der Empfänger am anderen Abschnittsende wertet diese Spannung aus. Wenn ein Zug in den Abschnitt einfährt, schliessen seine Achsen die zwei gegeneinander isolierten Schienen des Gleises kurz und legen das Gleis an die Bahnerde. Das Empfangssignal wird dadurch unterdrückt. Die Auswertung nach dem Empfänger meldet den Abschnitt als belegt.

Auf diesem Grundprinzip aufbauend existiert eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen Produkten. Sie unterscheiden sich wesentlich in Bezug auf das gewählte Sendesignal und die Auswertung im Empfangsteil. Es gibt jedoch auch so genannte stossfreie Gleisstromkreise. Diese haben jedoch eine gewisse Überlappung an den Grenzen zwischen zwei benachbarten Kreisen. Dadurch sind trennscharfe Belegungen, so zum Beispiel im Bereich von Weichen und Kreuzungen nicht möglich.

Ein im Stand der Technik bekannte Ausführungsform ist der klassische DC-Gleisstromkreis. Dieses Prinzip betreibt einen DC-Stromkreis am Gleisabschnitt und darin liegen seriell die zwei Schienen mit der variablen Grösse des Bettungswiderstandes. Der Achsnebenschluss bei einer Befahrung reduziert den Widerstand im Kreis. Das Prinzip arbeitet wie in der Figur 1 dargestellt. Die einfachste Lösung ist die Verwendung eines Relais als Empfänger seriell im Stromkreis für die Detektion der Belegung des Abschnittes.

Eine weitere bekannte Ausführungsform sieht die Speisung des GSK (Gleisstromkreises) mittels eines Drehstromnetzes vor. Dabei kommt es bei einer Befahrung zu einer Verstimmung einer Einrichtung einer Art von Differenzial-Transformator oder auch eine Art elektrischer Welle respektive Motor. Beim Hersteller Siemens wird ein solches Produkt als Motorrelais bezeichnet. Bei einer Befahrung kommt es zu einer Veränderung des Kreises bezüglich der folgenden Parameter, nämlich Frequenzspektrum, Phase, Leistung. Dabei wirkt die Masse des Motors-Rotors als ein Trägheitsfilter mit Anzugsverzögerung zum Unterdrücken von kurzzeitigen Störeinwirkungen.

Das Prinzip eines GSK betrieben mit einer Spannung über 100V AC (meist 230V) mit 50 Hz oder 60 Hz, im kontinuierlichen Betrieb oder im Pulsbetrieb. Die vergleichsweise hohe Spannung wird für das Aufbrechen der Isolationsschichten wie z.B. Rost auf den Schienenrollflächen eingesetzt. Durch die hohen Leistungen werden die erforderlichen Störabstände geschaffen.

Zur sicheren Erkennung des Belegtzustandes beschreibt die DE 24 45 397 ein zweikanaliges Verfahren bei einer alternierenden Einspeisung des Eingangssignal mit zwei Frequenzen, wobei die beiden Kanäle mit ihren Empfangsfiltern jeweils auf eine der beiden Frequenzen festgelegt sind und nicht an die gerade aktuelle Sendefrequenz angepasst werden können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik bleibt es daher dennoch wünschenswert, die Zuverlässigkeit von Gleisstromkreisen und ihre Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen weiter verbessern zu können.

Im Zuge der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein System und ein Verfahren zur Gleisfreimeldung eines Abschnitts einer Gleisstrecke gelöst, bei denen:

1. a) eine Länge des Abschnitts über einen an zwei Enden unterbrochenen Schienenstrang definiert wird;
2. b) an einem Ende des Schienenstranges eine Wechselspannung mit zwei alternierenden Frequenzen als Eingangssignal eingespeist wird, wobei die beiden Frequenzen aus einem Pool von mindestens drei Frequenzen ausgewählt werden;
3. c) an dem anderen Ende des Schienenstranges ein Ausgangssignal abgegriffen wird;
4. d) das abgegriffene Ausgangssignal hinsichtlich seiner Anteile in den beiden alternierenden Frequenzen analysiert wird, wobei das Ausgangssignal zumindest in zwei Kanälen Bandpass-gefiltert wird und die Durchlassfrequenzen der Bandpässe den beiden Frequenzen des Eingangssignals im Wesentlichen entsprechen, und wobei das Ausgangssignal dreikanalig analysiert wird und wobei in einem ersten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade gesendeten Eingangssignals analysiert wird, in einem zweiten Kanal der Pegel des Ausgangssignals auf der Frequenz des gerade nicht gesendeten Eingangssignals analysiert wird und in einem dritten Kanal das Frequenzspektrum des Ausgangssignals analysiert wird; und
5. e) in Abhängigkeit von der Analyse anhand von Grenzwertvergleichen entschieden wird, welchen Zustand der Gleisabschnitt aufweist.

Auf diese Weise wird zur Feststellung einer Gleisbelegung die mit einem definierten Tastverhältnis eingespeiste definierte Wechselspannung herangezogen, welche vorzugsweise frequenzmässig keine Übereinstimmung mit den Harmonischen zu den eingesetzten Frequenzen der Traktionsversorgung aufweist. Die gewählte Tastfrequenz kann in Antwort auf die erforderlichen Antwortzeiten für die Bereitstellung der sicherungstechnischen Betriebszustände festgelegt werden.

Das Verfahren kann weiter in einer Ausgestaltung der Erfindung dahingehend ertüchtigt werden, dass die sehr leistungsfähige Signalverarbeitung auf der Basis von mathematischer Berechnung von Prozessen genutzt wird. Die Verarbeitung erfolgt in Echtzeit mit einem für die Aufgabenstellung geeigneten Signal-Daten-Akquisitionsraster. Die digitalisierten Werte werden spezifisch den für die jeweilige Aufgabenstellung ausgebildeten Auswertekanälen zugeleitet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1

in schematischer Darstellung das Grundprinzip eines Gleisstromkreises;

Figur 2

ein empfangenes sowie gefiltertes Signal mit Intervalleinteilung;

Figur 3

Schwellenwert und einen schematischen Pegelverlauf für eine Gleisbelegung;

Figur 4

in prinzipieller Darstellung die Entstehung maximaler Störspannungen durch Schienenströme;

Figur 5

Sendefrequenzen für den Gleisstromkreis und Harmonische der Traktionsströme für eine Frequenz von 16 2/3 Hz;

Figur 6

eine FFT der bisherigen und der angepassten Sendefrequenzen;

Figur 7

eine Filtercharakteristik eines IIR-Empfangsfilter;

Figur 8

Filtercharakteristik bei 1600 Hz (links) und 1724 Hz (rechts);

Figur 9

eine schematische Darstellung der Auswertung des digitalisierten Empfangssignals;

Figur 10

die Funktionsblöcke in einem dritten Empfangskanal;

Figur 11

einen Zustandsgraphen eines allgemeinen Freimeldesystems;

Figur 12

Rauschen als Störsignal;

Figur 13

die Simulation eines freien ungestörten Abschnitts;

Figur 14

den Verlauf der Koeffizienten zu den ausgewählten Beobachtungszeitpunkten (Abtastzeitpunkten);

Figur 15

den zeitlichen Verlauf der Koeffizienten bei einer regulären Belegung;

Figur 16

den Einfluss eines benachbarten Gleisstromkreises bei einem Isolierstossfehler;

Figur 17

den Einfluss einer sinusförmigen Störung;

Figur 18

den Einfluss einer weiteren sinusförmigen Störung; und

Figur 19

den Einfluss einer weiteren sinusförmigen Störung.

Es wird nachfolgend der Universelle Gleisstromkreis (UGSK) von Siemens Schweiz AG beschrieben. Das System besteht aus zwei Teilen: dem Teil "Aussenanlage", welche die physikalische Anbindung an die Infrastruktur, das heisst den Gleisabschnitt herstellt, und dem Teil "Innenanlage" im Stellwerk mit der zugehörigen Elektronik für die Signalgenerierung und Auswertung des Frei- resp. BelegtZustandes.

Der Teil "Aussenanlage" besteht im Wesentlichen aus den Gleistrafos mit Beschaltung an beiden Abschnittsenden. Sie transformieren die gesendete hohe Spannung auf dem Kabel zum Stellwerk in eine für Gleisanlagen zulässige Kleinspannung von wenigen Volt. Sie sind zusätzlich mit einem Hochpassfilter ausgerüstet. Diese schützen die Elektronik des Senders und Empfängers vor den energiereichen Störeinwirkungen der Traktionsströme aus den 16,7 Hz resp. 50 Hz Traktionsnetzen der Bahnen.

Der Teil "Innenanlage" besteht aus einer streng zweikanaligen Ausführung der Spannungsversorgung, einem Mikrocontroller für die Überwachung der Funktionen sowie eines DSP für die Signalverarbeitung wie auch den Benutzerschnittstellen. Eine Potentialtrennung der Sende- und Empfangsleitung ist realisiert. Sicherheitsrelais werden für die Zustandsausgabe eingesetzt. Sender und Empfänger befinden sich räumlich aus störbeeinflussungstechnischen Gründen unmittelbar nebeneinander.

Der UGSK verwendet ein pausenmoduliertes Sinussignal mit einer auswählbaren Grundfrequenz von 137,5 Hz, 175 Hz oder 225 Hz. Das System muss immer so eingestellt werden, dass der Sender nie die gleiche Frequenz verwendet wie derjenige des Nachbarabschnitts. Der Pegel des Senders ist einstellbar und lässt sich so an die äusseren Gegebenheiten anpassen. Das Verhältnis zwischen Sendephase und Sendepause beträgt 3:2 bei einer Periodendauer von 200 ms.

Der Empfänger besitzt am Eingang ein digitales FIR-Filter 99ster Ordnung. Abbildung 2 zeigt die zeitlichen Verläufe von Sendesignal und Empfangssignal nach dem Filter im ungestörten Zustand. Für die Bestimmung des Belegungszustandes wird der Senderzyklus in fünf Intervallen mit jeweils T = 40 ms Dauer unterteilt. Die Burst-Intervalle 2 und 3 dienen der Erkennung einer Belegung. Das Gap-Intervall 5 ermöglicht die Erkennung von Störungen durch Ströme in der Schiene. Die beiden Rampenintervalle 1 und 4 werden in der Auswertung nicht berücksichtigt, da deren Informationsgehalt nicht nutzbar ist.

Die gesamte Einteilung der Intervalle 1 bis 5 ist gegenüber dem Zyklus des Senders bedingt durch die Durchlaufzeiten im Gleisstromkreis um 11 ms verschoben. Durch die Verschiebung wird das Gap-Intervall besser über der Signalpause platziert.

Zur Auswertung des Streckenzustandes wird der Betrag des Empfangssignals über ein Intervall integriert. $$P={\displaystyle {\int }_{\mathrm{T}}^{}}\left|U_e\right|\mathit{dt}$$

Die Figur 3 zeigt schematisch die Schwellenwerte, welche zur Bewertung des berechneten Pegels P dienen. Erreicht der Pegel eines Burst-Intervalls einen Schwellenwert, so gilt dieses Intervall als frei. Wird eine bestimmte Anzahl der Burst-Intervalle als frei erkannt, so gilt der Gleisabschnitt als frei. Wenn der Pegel einiger Intervalle einen niedrigeren Grenzwert unterschreitet, ist der Abschnitt belegt.

Die Auswertung der Gap-Intervalle dient der Störungserkennung. Wird innerhalb eines Gap-Intervalls ein unzulässig hoher Pegel festgestellt, gilt das Intervall als gestört. Die Verwendung eines pausenmodulierten Signals hat unbestreitbare Vorzüge bei der Erkennung von Störungen, insbesondere bei Störungen im Durchlassbereich des Filters. Dennoch müssen bei der Selektivität des Filters Abstriche gemacht werden, da die Ein / Ausschwingphasen nicht zur Auswertung genutzt werden können.

Eine Belegtmeldung muss laut Tabelle 1 nach 300 ms abgegeben werden. Diese Forderung limitiert die Ordnung des Filters und damit auch die Störimmunität. Um diese Problematik genauer darstellen zu können, werden im folgenden Abschnitt die verschiedenen Störungen beschrieben. Sie ermöglichen so auch eine Sicht auf die Limiten von neuen Verfahren.

Ein weiteres Verfahren besteht ebenfalls aus den zwei Hauptfunktionen Sender und Empfänger. Der Sender sendet ebenfalls ein Signal in den Gleisabschnitt, u = f (t). Es werden dabei jedoch abwechslungsweise oder auch gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzen vorteilhaft aus Sinusquellen gesendet. Andere Funktionen sind denkbar. Auf der Empfängerseite wird das durch die Übertragungseigenschaften des Gleisabschnittes und die jeweilige Befahrung beeinflusste Signal empfangen. Das Empfangssignal wird nun einem A/D Konverter zugeführt, welcher das Eingangssignal mit einer relativ hohen Samplingrate in digitale Werte konvertiert. Ein definiertes Fenster mit einer durch die anzuwendende FFT Methode gegebenen Anzahl von Stützwerten (2ⁿ) gewonnen aus der AC/DC Oversamplingsrate reduzierten diskreten Messwerten mittels eines Verfahren wie Mittelwertbildung, 1 aus N, Peakwert, Minimalwert (und weitere) schiebt sich "real time" in Schritten vorwärts. Bei jedem Schritt wird das Resultat in Form von diskreten Amplitudenwerten aus dem überwachten Frequenzbereich den vorhandenen Auswerteeinheiten zugeführt. Diese sind alsdann in der Lage, den zeitlichen Verlauf von Amplitude und /oder Frequenz nach ihnen vorgegebenen Kriterien zu bewerten und daraus ihren spezifischen Entscheid wie beispielsweise für eine Belegung abzuleiten.

Die Störungen, die im Bahnbetrieb auftreten können, werden in statische und dynamische Störungen eingeteilt. Zu den statischen Störungen gehören alle ausserordentlichen Betriebsfälle, die mit Fehlern an der Infrastrukur (Gleisanlage und Sicherungsanlage) zusammenhängen und nicht zwingend durch ein Fahrzeug ausgelöst werden. Die Störungen können plötzlich auftreten, liegen aber für eine lange Zeit an. Sie erfordern meistens einen Eingriff des Personals. Die dynamischen Störungen dagegen resultieren aus der Energieauf- und Abnahme der Fahrzeuge mit den begleitenden elektrischen und elektromagnetischen Einflüssen im regulären Bahnbetrieb.

Eine exakte Beschreibung der dynamischen Störungen ist schwierig, da sie sehr vielfältig sind und Dauer, Frequenz wie Amplitude einer grossen Variabilität ausgesetzt sind.

Das bisherige System unterscheidet drei verschiedene statische Störungen.

Für den Betrieb des Gleisstromkreises gilt als kritische Störung die Bettungsstörung. Sie wird erkannt, wenn der Empfangspegel zwischen dem Schwellenwert für Belegung und demjenigen für den Freizustand liegt. Das System kann nicht mehr mit Sicherheit feststellen, ob der Abschnitt frei oder belegt ist. Als Grund kann zum einen der Bettungsleitwert unzulässig angestiegen sein, so dass der Pegel ohne Fahrzeug im Gleis zu stark gedämpft wird. Zum anderen kann der Achsnebenschlusswiderstand durch rostbesetzte Radlaufflächen oder Schienenlaufflächen so gross sein, dass der Achsnebenschluss und damit der Pegel trotz Belegung nicht ausreichend klein werden.

Die Störung verschwindet, wenn entweder das Fahrzeug den Abschnitt wieder verlassen hat oder die Infrastruktur in Stand gesetzt wurde.

Eine weitere kritische Störung ist die Übersteuerung. Sie tritt auf, wenn der Senderpegel zu hoch eingestellt ist. Der Empfänger kann in diesem Fall auch keine gesicherte Aussage über den Belegungszustand des Gleises machen, da der Pegel bei schlechter Belegung nicht unter den Schwellenwert absinkt. Dieser Fehler lässt sich ebenfalls nur durch einen Benutzereingriff am Sender beheben.

Eine Isolierstossüberbrückung führt dazu, dass zwei benachbarte Gleisabschnitte nicht mehr voneinander getrennt sind. Der Gleisstromkreis wird im unbenutzten Frequenzband den Sender des Nachbarabschnitts feststellen und so die Störung erkennen. Diese Störung erfordert einen Eingriff des Personals in die Infrastruktur. Diese Störungen lassen sich alleine durch die Auswertung der Burst-Intervalle mittels Schwellenwerten erfassen. Die Betrachtung des Gap-Intervalls ist nicht nötig.

Die für einen Gleisstromkreis kritische dynamische Störung ist die Störung durch Traktionsströme. Der Traktionsstrom fliesst über die Oberleitung, durch das Fahrzeug und anschliessend zurück zur Einspeisung. Ein Teil des Stromes fliesst über die Schiene zurück, ein anderer Teil durch das Erdseil an den Oberleitungsmasten und ein kleiner Teil durch das Erdreich. Bei mehrgleisigen Anlagen kann der Rückstrom ebenso durch die Nachbargleise zurück fliessen und dort Störungen verursachen, ohne dass das Nachbargleis befahren wird. Ein Eisenbahnsystem wirkt für den Rückstrom folglich wie ein Mehrleitersystem.

Für die Worst-Case-Betrachtung wird angenommen, dass sich ein Fahrzeug ausserhalb des Abschnitts befindet, die Einspeisung aber an der gegenüberliegenden Seite ist.

Der gesamte Traktionsstrom soll nur durch die Schiene zurück fliessen, da das Vorhandensein eines Erdseiles und einer konsequenten Erdung nicht garantiert ist.

Die Spannung am Empfänger ergibt sich zu: $$u_e=u_s+\frac{Z_e}{Z_e+Z_s}\cdot i_{\mathrm{Tr}}\cdot \frac{1}{2}\left(R\prime +\mathit{i\omega L}\prime \right)\cdot l$$

Man erkennt, dass die Störung hauptsachlich eine Funktion der Störstromamplitude i_Tr und der Abschnittslänge l ist. Die Störspannung teilt sich entsprechend der Impedanzen auf Sender und Empfänger auf. Der Widerstands- und Induktivitätsbelag aus dem Schienen-Ersatzschaltbild in Abbildung 4 müssen halbiert werden, da diese Werte für beide Schienen zusammen gelten.

Der Spannungsabfall entlang der isolierten Schiene wird vernachlässigt, da ihr Längswiderstand wesentlich kleiner ist als die Abschlüsse. Die einfache Multiplikation mit der Abschnittslänge ist zulässig, da keine Ableiteffekte in der geerdeten Schiene auftreten. Die moderne Drehstrom-Asynchron-Antriebstechnik hat in den letzten 20 Jahren die Serienmotoren und die Choppertechnik sowie Gleichstromantriebe bei Eisenbahnen weitestgehend verdrängt. Die Fortschritte in der Leistungselektronik ermöglichten immer höhere Fahrzeugleistungen und sensible Ansteuerung. Umrichterfahrzeuge haben jedoch einen erheblich grösseren Einfluss auf die Streckeneinrichtungen. Die Kopplung findet entweder über elektromagnetische Felder oder galvanisch durch die Traktionsströme statt. Gleisstromkreise sind, im Gegensatz zu Achszählsystemen, gegen elektromagnetische Störungen weniger empfindlich als gegen die oben beschriebenen direkten Störungen durch Traktionsströme.

Die wesentliche Veränderung durch den Einsatz der Umrichterfahrzeuge ist, dass die Frequenzanteile im Traktionsstrom nahezu beliebig geworden sind. Die grössten Störungen entstehen weiterhin durch die Grundwelle von 16,7 Hz bzw. 50 Hz und die entsprechenden, gedämpften Oberwellen. Hinzu kommen die Störungen, die aus dem Antrieb auf die Primärseite des Traktions-Fahrzeug-Trafos einkoppeln. Deren Frequenz hängt direkt mit der momentanen Grundfrequenz des Motors und damit seiner Drehzahl zusammen. Zusätzlich führt der Rückleiter der Zugsammelschiene (1000V Speisung) ebenfalls durch die Schiene. Durch die hohe Vielzahl und Vielfalt der angeschlossenen Verbraucher (auch Umrichter) sind die Störeinflüsse nur schwer erfassbar. Die Störung kann folglich in einem breiten Frequenzband und damit auch im Durchlassbereich des Filters im Gleisstromkreis auftreten.

Die Störung im Durchlassbereich des Filters ist eine echte Gefährdung für die Integrität der Belegtaussage. Zum einen kann das Sendesignal ausgelöscht und eine falsche Belegung erzeugt werden. Zum anderen kann der Pegel trotz tatsächlicher Belegung am Empfänger so gross werden, dass eine falsche Freimeldung entsteht. Der Empfänger kann folglich unter dieser Störeinwirkung keine gesicherte Aussage über den Belegungszustand machen. Die Störung lässt sich nur durch die Auswertung einer Zusatzinformation erkennen. Bei der vorstehend erläuterten Lösung wurde dazu der Pegel des Gap-Intervalls ausgewertet. Eine Störung wird erkannt, wenn der Pegel einen Schwellenwert übersteigt (Störstromgrenzewerte einbauen).

Die oben beschriebenen Sachverhalte lassen das vorstehend beschriebene UGSK-System an seine Grenzen stossen. Immer wieder einmal kann es unter einer Kumulation von Einwirkungen durch die Traktionsströme zu Störbeeinflussungen der Auswertung des Empfangssignals kommen. In der Folge ist der UGSK blockiert.

Eine falsch erkannte Belegung versetzt das System zwar in den sicheren Zustand, aber ein dadurch erforderlicher Eingriff des Personals stellt einen sicherheitskritischen Vorgang dar und erzeugt damit betriebshemmende Verspätungsminuten.

Ziel der Aufgabe / Erfindung ist es demnach, eine erhöhte Immunität gegen Traktionsbeeinflussungen zu erreichen. Das verbessert die Verfügbarkeit und senkt die Wahrscheinlichkeit für sicherheitskritische Eingriffe oder es kann bei gleich bleibendem Verhalten bei Verfügbarkeit und Sicherheit die zulässige Abschnittslänge erhöht werden.

Nachfolgend werden die wichtigsten Vorüberlegung und Randbedingungen diskutiert. Die Eigenschaft des Empfängers ist ein zentraler Punkt für die Verbesserung der Störimmunität. Das Sendesignal enthält keine Information im Sinne der Nachrichtentechnik. Der Empfänger muss nicht in der Lage sein, eine Information aus einem Übertragungskanal zu dekodieren und weiter zu übermitteln. Vielmehr muss im Empfangssignal eine Störung zuverlässig erkannt und sinnvoll bewertet werden. Die Bewertungskriterien richten sich nach der geforderten Mindestsicherheit sowie an einer hohen Verfügbarkeit des Systems.

Für den Einsatz von Gleisstromkreisen definieren die Bahnbetreiber zulässige Pegel und nutzbare Frequenzen. Diese basieren auf bahneigenen Messungen an Strecken. Für neue Gleisstromkreise sollen die Nutzfrequenzen nicht mehr unter 200 Hz liegen. Aufgrund einer sinnvollen Weiterverwendung der alten Aussenanlagen sind Frequenzen über 250 Hz nicht geeignet. Die Figur 5 zeigt einen weiteren Aspekt für die Wahl der Sendefrequenzen. Diese liegen vorteilhaft zwischen den Harmonischen der Grundfrequenz. Auf diesen Überlegungen aufbauend wurden die Frequenzen f1 = 208, 1 Hz, f2 = 224,2 Hz und f3 = 241,3Hz festgesetzt. Alle weiteren Ausführungen in Bezug auf die neuen Methoden werden diese Frequenzen benutzen. Drei Frequenzen sind nötig, um auch in Weichenfeldern die Gleisstromkreise voneinander abgrenzen zu können. Dies ermöglicht die Erkennung des Fehlers von Isolierstossüberbrückungen.

Mit der Frequenz ist auch die Amplitude des Sendesignals weitestgehend festgelegt. Es muss gross genug sein, um bei einer schlechten Bettung eine zuverlässige Erkennung zu gewährleisten. Die andere Limite ist nach oben gegeben, um den Empfänger bei guter Bettung und damit kleinen Verlusten nicht zu übersteuern. Eine Modulation von Amplitude und Frequenz ist jedoch denkbar. Zusätzlich werden an die Gleisstromkreise bezüglich Erkennung des Belegungszustandes zeitliche Limiten gestellt. Die Auswertung hat den Wechsel eines Belegungszustandes ab Eintritt innerhalb der festgelegten Zeitlimite sicher zu erkennen. Der Betreiber definiert diese Zeit, die vom Auftreten des Ereignisses bis zur Meldung an das Stellwerk vergehen darf. Die Erkennung muss demnach so erfolgen, dass die Ausgabeeinheiten wie z.B. die Sicherheitsrelais zuverlässig angesteuert und wieder ausgelesen werden können. Die angegebenen 50 ms sind dafür erfahrungsgemäss ausreichend. Nr Ereignis Erkennung Meldung 1 Belegung 250 ms 300 ms 2 Freimeldunq 450 ms 500 ms 3 Isolationsstörung < 20s 20s 4 Bettungsstörung 450 ms 500 ms 5 Übersteuerung 450 ms 500 ms 6 Störstrom 450 ms 500 ms

Die Belegung eines Gleisabschnitts durch einen Kurzschluss mit einem metallischen Konstruktionsteil zwischen den zwei Schienen hat zur Folge, dass die Information über eine Belegung nur in der Amplitude des empfangenen Signals enthalten ist. Die Beurteilung des Belegungszustandes ist nur durch den Vergleich der Signalgrösse am Empfänger mit festen Schwellenwerten zielführend. Es sind keine Verfahren bekannt, welche eine selektiv / adaptive Bereitstellung von Schwellenwerten ermöglichen. Von dieser Aussage ausgenommen sind Anpassungen der Schwellen, welche sich an klimatischen Kenngrössen oder auch an Kenngrössen der Leitfähigkeit des Gleisbettes ableiten. Dabei besteht auch die Möglichkeit, den Sendepegel entsprechend anzupassen.

Definition der erforderlichen Schwellen für die bestimmungsgemässe Funktion N Name Bezeichnung 1 P1 Schwelle für Freimeldung 2 P2 Schwelle für Beleqtmeldunq 3 Pmax Schwelle für Übersteuerung 4 Piso Schwelle für Stossüberbrückung 5 Ptr Schwelle für Traktionsstrom

Die Schwelle P_max ist die höchste Schwelle. Die Bedingung P1 > P2 definiert den verbotenen Zwischenbereich zwischen Freimeldung FM und Belegtmeldung BM.

In den vorangehenden Abschnitten sind die bekannten und angewandten Prinzipien für den GSK mit ihren allgemeinen Eigenschaften beschrieben worden. Dabei ist an Hand des vorstehend beschriebenen Beispiels der USGK detailliert mit seinem Einwirkungsumfeld beschrieben worden.

In der Folge wird nun das neue Verfahren aufgezeigt, das wesentliche Vorteile gegenüber den bisher beschriebenen Prinzipien besitzt und eine wesentlich höhere diversitäre Auswerteleistung als das vorstehend genannte Prinzip erbringen kann. Es ist dabei ein wesentlich erweitertes Verfahren mit neuen Eigenschaften entstanden.

Die Unterteilung des Prinzips Gleisstromkreis in die einzelnen Funktionsblöcke ist nachfolgend dargestellt. Geeignet für eine Darlegung des gesamten neuen Funktionsumfangs sind die Stationen im Signalweg.

Die Gleisstrom-Kreis Elektronik umfasst den

• Signalsender, welcher ein, bezüglich dem Netzwerk des Gleises und den Traktionsbeeinflussungen geeignetes Sendesignal (Frequenz und Amplitude) an einem Ende des Abschnitts über das Einkoppelnetzwerk einspeist / sendet,
  und den
• Signalempfänger, welcher dazu geeignet ist, am anderen Ende des Abschnittes über das Auskoppelnetzwerk aus dem Gleisabschnitt das austretende durch den jeweiligen Zustand (frei oder belegt) des Gleises sowie durch die Traktionseinwirkung beeinflusste Sendesignal korrekt zu empfangen,
  und die
• Signalauswertung, welche durch ein optimiertes Verfahren die Datenaufbereitung durchführt. Diese Ergebnisse werden dann in der für die jeweilige Aufgabe zweckmässigen Datendichte pro Zeiteinheit den vorteilhaft je für eine Aufgabe optimalen Verarbeitungseinheiten zugeführt. Diese kontinuierliche Auswertung des Empfangssignals erlaubt eine sichere Detektion der Zustände FREI, BELEGT und GESTÖRT und darüber hinaus die Erkennung weiterer Beeinflussungsgrössen;
  und die
• Ausgabeeinheit für die Ausgabe der FREI-, BELEGT- oder GESTÖRT-Meldung an das Stellwerk, mittels Sicherheitsrelais zum einfachen Rücklesen des ausgegebenen Zustandes.

Das Sendesignal und die selektiven Auswerteverfahren sind aufeinander abgestimmt. Die Methode besteht in der Erzeugung eines quasikontinuierlichen Sendesignals, welches dennoch eine sichere Erkennung von Störungen ermöglicht, sie ist nachfolgend beschrieben. Der Sender benutzt im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren zwei Frequenzen, welche abwechselnd in einem symmetrischen Raster ausgegeben werden. Diese zwei Frequenzen werden aus meist drei oder mehr durch den Fahrwegbetreiber festgelegten Frequenzen bestimmt.

Mittels der Kombinatorik "2 von 2" wird die Abgrenzung zu benachbarten Gleisstromkreisen erreicht und die Erkennung des Fehlers einer Gleis-Isolationsüberbrückung wird beim Auftreten einer nicht gesendeten Frequenz mit den dadurch entstehenden physikalischen Merkmalen erkannt. Die Wahl der Frequenzen hat bei der vorgeschlagenen Lösung auf das Verfahren an sich keinen Einfluss, eine entsprechende Parametrierung des Senders und Verarbeitungsalgorithmen sind aber erforderlich.

Die Erkennung einer gültigen Belegung innerhalb von 250 ms wird durch die gewählte Lösung mit den zwei Sendefrequenzen optimal unterstützt. Der signaltechnische Aufbau einer Belegung muss demnach fortlaufend erfasst werden können. Die Verwendung eines kontinuierlichen Signals bietet zwar eine solche Möglichkeit, hat aber Nachteile bei der Erkennung von einwirkenden Störungen nahe der Sendefrequenz.

Um diese Nachteile zu umgehen, wird das Sendesignal wie folgt parametriert. Die Sendedauer für die beiden Frequenzen (jedes Kanäle) wird auf exemplarisch 170 ms festgelegt.

Die Sendefrequenzen werden mit Hinblick auf das Signalauswerteverfahren entsprechend adjustiert, das heisst, sie können geringfügig verschoben sein zu den Vorgaben der Bahnbetreiber.

Für die neue Lösung werden die drei vorgegebenen Frequenzen (zwei werden in einem Abschnitt genutzt) in das diskrete Raster der Fourier-Transformation verschoben. Eine Anpassung unter Einhaltung aller Anforderungen auf der Seite von Empfang und Auswertung führt in diesem Fall zu den folgenden Frequenzen. Diese Darstellung ist exemplarisch, es sind beliebige Festlegungen im Rahmen der FFT Eigenschaften möglich; f1 = 206.25 Hz, f2 = 225 Hz und f3 = 243.75 Hz. Die nachfolgende Figur 6 verdeutlicht die Vorteile der angepassten Festlegung.

An den Empfänger werden keine speziellen Anforderungen gestellt. Er hat vielmehr die Aufgabe der Pegel-Adjustierung zum Zwecke des Schutzes der Eingänge vor einer Übersteuerung. Zudem wird eine Anpassung an die Leitung und des Empfangsübertragers zum Erreichen einer minimalen Beeinträchtigung erforderlich.

Das aus dem Abschnitt entnommene durch den jeweiligen Belegungszustand und durch den Traktionsstrom beeinflusste Sendesignal wird einem A/D- Konverter zugeführt.

Die Konversion arbeitet schnell und mittels Oversampling mit einer Rate von etwa 10:1 entsprechend den Eigenschaften des Eingangssignals. Die verwendete Methode verbindet die Ansätze von verschiedenen Methoden um ein quasi-kontinuierliches Sendesignal zu erzeugen, welches dennoch eine sichere Erkennung von Störungen ermöglicht. Der Sender benutzt dabei im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren zwei Frequenzen, welche wechselnd benutzt werden. Das aktuell gesendete und empfangene Signal in jeweils einer der beiden dem System zugehörigen Frequenzen ist in der Lage, den aktuellen Belegungszustand respektive dessen Zeitverlauf darzustellen. Auf der aktuell nicht gesendeten Frequenz besteht die Möglichkeit die einfallenden Störungen zu bewerten. Weiter können durch das Versagen von Gleisisolationen zwischen den Abschnitten nicht zum GSK zugehörige Frequenzen der Nachbarkreise detektiert werden. Der Unterschied der bis heute verwendeten Verfahren besteht darin, dass nicht Filter ein- und ausgeschaltet werden, sondern nur gerade auf ein zur aktuellen Sendefrequenz abgestimmtes Parameterset in einem zeitlich definierten Intervall im Auswertealgorithmus zugegriffen und verwendet wird.

Für die Auswertung wird generell das Empfangssignal mittels A/D Konverter diskretisiert und der aktuelle Signalverlauf in einem Zeitfenster mittels einer FFT analysiert. Die zeitliche Dauer des Fensters ist auf das für die Belegungserkennung bedeutende Frequenzspektrum abgestimmt. Bei der Auswertung werden zwei Verfahren angewendet, das kontinuierliche Verfahren der Auswertung und das Diskontinuierliche. Ist eine kurze Entscheidungszeit für die sichere Detektion eines Zustandes wie derjenige der Abschnittbelegung erforderlich, so wird die kontinuierliche Auswertung angewendet. Für das Freiwerden des Abschnittes wie auch für die Detektion einer Isolierstossüberbrückung und auch für das Monitoring der Traktions-Störeinwirkung ist die diskontinuierliche Auswertung vorteilhaft. Die diskontinuierliche Methode erlaubt eine Bewertung des Frequenzspektrums in einer beliebigen Zahl n von Auflösungsschritten aus dem kontinuierlichen Verfahren. Eine vorteilhafte Festlegung ist die Analyse des Signalverlaufs eines Zeitfensters mit definierter zeitlicher Position zur Sendefrequenzumschaltung.

Ein 256 Punkte grosses FFT Fenster gleitet schrittweise mit jedem Eintreffen eines digitalen Eingangssignalwertes vorwärts, fügt den aktuell gewandelten Momentanwert an der Spitze an und eliminiert den ältesten Wert (FILO). Nach jedem Vorwärtsschritt wird eine FFT durchgeführt. Im Bezug auf das aktuell ausgewertete Fenster treten die beiden Frequenzkomponenten in variablen Anteilen auf, wobei die Summe der beiden Anteile konstant ist. Dadurch ist der periodische Wechsel der Sendefrequenz ohne Auswirkungen auf die Verarbeitung, die Kontinuität bleibt gewahrt.

Das FFT-Fenster der kontinuierlichen Auswertung wird auch für die diskontinuierliche Auswertung als Datenquelle unverändert genutzt. Es werden jedoch nicht in jedem Schritt Daten entnommen, sondern nach N Schritten respektive zu einem definierten Zeitpunkt bezogen auf das Sendeintervall für die zwei unterschiedlichen Frequenzen. Diese Auswertung über die Zeit erlaubt die detaillierte Erkennung aller Ereignisse, welche keine Synchronität zum Systemtiming besitzen und zeitlich in Relation zum Systemtiming nur kurzzeitigkurz (transient) anfallen.

Der Amplitudenwert der momentan gesendeten Frequenz wird aus den mittels FFT berechneten Frequenzanteilen kontinuierlich aus jedem erzeugten FFT-Fenster entnommen und auf die Belegungsinformation hin bewertet. Der beiden alternierend gesendeten Frequenzen haben keinen Einfluss auf das Auswerteverfahren. Der zeitliche Verlauf der Amplitude des Sendesignals wird mittels einer Amplitudenbewertung für die Erkennung der in Tabelle 1 aufgeführten Zustände 1 und 2, (die Belegung und die Freimeldung) unter Einbezug der in der Tabelle 2 festgelegten Zeitkriterien ermittelt (siehe auch Figur 15).

Die Analyse der Empfangsamplituden in der aktuell nicht gesendeten Frequenz identisch Algorithmus 1 erlaubt eine Beurteilung der Störeinwirkungen dieser Frequenz im aktuellen Zeitpunkt. Da solche Störeinwirkungen durch die Traktion zeitlich meist erheblich über der Pausenzeit des Abtastrasters liegen, entsteht auch eine Vorgabe für die Bewertung der Beeinflussung des Sendesignals.

Zusätzlich zu der Auswertung des Verlaufes der Amplitude über die Zeit der beiden Sendefrequenzen und der damit möglichen BelegtAussage kann auch das Eindringen von Arbeitsfrequenzen aus Nachbarkreisen beim Auftreten einer Isolierstossüberbrückung als Fehler erkannt werden. Die Offenbarung eines solchen Fehlers ist nicht zeitkritisch und kann weiter gemeldet werden.

Darstellung des Verfahrens und der Einrichtung für die Erkennung der Belegungszustände in einem Gleisabschnitt befindet sich in den nachfolgenden Abbildungen. Weitere Auswertungen mittels Algorithmus 4 bis n sind bei Bedarf möglich.

Die Verschiebung des Amplitudenganges eines digitalen Filters kann auf zwei Arten erfolgen. Zum einen kann die Charakteristik bei konstanter Abtastfrequenz durch eine Änderung der Filterkoeffizienten im Betrieb angepasst werden. Zum anderen kann die Abtastfrequenz geändert werden, ohne die Koeffizienten zu modifizieren.

Diese Methode bietet folgende Vorteile:

• Das quasi-kontinuierliche Sendesignal ermöglicht die gleichen selektiven Filter wie sie bei nur einer Sendefrequenz möglich sind. Die Immunität gegen Störungen durch die Verkleinerung der Bandbreite ist folglich maximal. Die Erkennung von Störungen ist permanent möglich. Weder für die Belegungserkennung noch für die Störungserkennung müssen daher Worst-Case-Fälle für den Belegungszeitpunkt angenommen werden. Die Sicherheit bei der Erkennung einer Störspannung ist vergleichbar oder besser als beim beschriebenen UGSK System. Simulationen zeigen, dass der Einsatz zweier Filter nicht unproblematisch ist. Alle Umschaltvorgänge im laufenden Betrieb führen zu Reaktionen im Ausgangssignal des Filters. Zusätzlich wird der Aufwand im Bereich der A/D-Wandlung erhöht, da schlimmstenfalls zwei getrennte Wandler für ein Signal verwendet werden müssen.

Für den Fall, dass die Anpassung der Filter nur durch die Änderung der Koeffizienten erzielt wird, kann das Wandlersystem wie folgt ausgelegt werden. Die Überabtastfrequenz (Oversampling) beträgt 12,8 kHz und die Nutzabtastfrequenz 1600 Hz.

In allen anderen Fällen müssen zusätzliche Frequenzen bestimmt werden. Das Verhältnis von Nutzabtastfrequenz und Überabtastung soll den Faktor 8 betragen. In den Intervallen, in denen der Sender mit der niedrigeren Frequenz sendet, werden die bisherigen Abtastraten verwendet. Die Nutzabtastfrequenzen für die Intervalle mit höherer Frequenz sind in Tabelle 3 berechnet. Die resultierende Verschiebung des digitalen Anti-Alias-Filters kann in diesem Bereich toleriert werden. Sendefrequenz Phase 1 Phase 2 208,1 und 224,2 Hz 1600 Hz 1724 Hz 208,1 und 241.3 Hz 1600 Hz 1855 Hz 224,2 und 241,3 Hz 1600 Hz 1722 Hz

In der Implementierung können die nötigen Überabtastfrequenzen aus dem hohen Systemtakt des DSPs gewonnen werden.

Die in dieser Methode beschriebene Wandlerarchitektur mit Anti-Alias-System kann unverändert übernommen werden.

Das Filter 1 hat die Aufgabe, das Sendesignal möglichst gut zu isolieren, so dass nur dessen Amplitude bewertet wird. Ein solches Filter ist für ein kontinuierliches Sendesignal entworfen worden. Dieses Filter kann in dieser Methode übernommen werden, da die zeitlichen Anforderungen bei Nutzung des quasi-kontinuierlichen Sendesignals identisch sind. Um diesen Vorteil nutzen zu können, muss das Filter in jedem Intervall an die Sendefrequenz angepasst werden.

IIR-Filterentwurf: Das Empfangsfilter kann alternativ als rückgekoppeltes System entworfen werden. Die Filterordnung ist dabei wesentlich kleiner als bei einem FIR-System. Ausserdem hat die Filterordnung nur eine geringe Auswirkung auf die Verzögerung des Filters. Diese wird hauptsächlich durch die geforderte Breite des Übergangsbereichs bestimmt. Die Sperrdämpfung wird analog mit - 40dB festgelegt. Den gewünschten glatten Amplitudengang im Durchlassband erreicht man durch die Auslegung als Tschebyscheff-II-Filter. Das Ergebnis des Entwurfs ist für jede Sendefrequenz in der Abbildung 7 dargestellt.

Die IIR-Filter weisen eine -6dB-Bandbreite von 12 Hz auf. Dazu sind zwei Ansätze denkbar.

Der Amplitudengang des Filters wird durch das Ersetzen der Koeffizienten im Betrieb auf der Frequenzachse verschoben. Diese Technik ist von adaptiven Filtern bekannt. Für diese Art von Filter wird ein Algorithmus entworfen, welcher die Koeffizienten eines Filters online ändert, um ein gewünschtes Verhalten zu realisieren. Solche Systeme werden beispielsweise zur Systemidentifikation oder Echounterdrückung eingesetzt.

In dieser Methode soll jedoch das Filter nicht laufend modifiziert werden, sondern nur zu den bekannten Zeitpunkten, an denen der Sender die Frequenz wechselt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass im Abtastsystem keine Änderungen erfolgen müssen und die Abtastrate immer konstant bleibt. Der Nachteil dieser Technik wird jedoch nachfolgend deutlich.

Ab dem 1000. Sample wurde das Eingangssignal von 208,1 Hz auf 224,2 Hz umgeschaltet und das Filter mit den entsprechenden Koeffizienten geladen. Das Filter zeigt nach dem Übergang ein transientes Verhalten, welches die Auswertung der Amplitude unbrauchbar macht. Zusätzlich muss bedacht werden, dass adaptive Lösungen bei entsprechenden Sicherheitsanforderungen immer einen aufwendigen Sicherheitsnachweis erforderlich machen.

Die Anpassung an die Signalfrequenz wird bereits im Funktionsblock A/D-Wandlung durchgeführt. Dazu muss die Abtastrate entsprechend angehoben oder gesenkt werden. Das Filter, welches wie jedes digitale System auf die Abtastfrequenz bezogen ist, wird im entsprechend abgetasteten Eingangssignal keine Frequenzänderung feststellen und folglich ein Ausgangssignal wie in der Methode für ein kontinuierliches Sendesignal erzeugen. Die ausgelegten Filter können übernommen werden.

Das Filter 2 hat die Aufgabe, Störungen im Bereich der Sendefrequenzen zu isolieren und bewertbar zu machen. In dieser Methode wird das Filter immer auf die gerade nicht verwendete Sendefrequenz eingestellt. Da sich die Sendefrequenz periodisch ändert, werden Störungen auf beiden benutzten Frequenzen erkennbar. Die gewonnene Information entspricht derjenigen des Gap-Intervalls beim bisherigen System UGSK. Die Problematik beim Umschalten von Filter 2 ist, dass die Richtung der Verschiebung auf der Frequenzachse genau umgekehrt zu jener von Filter 1 ist. Dieser Zusammenhang ist in Figur 8 dargestellt.

Beim Umschalten zur höheren Abtastfrequenz werden beide Filter in Richtung höherer Frequenzen verschoben. Das Filter 2 soll jedoch auf die kleinere Frequenz abgestimmt werden. Ein erster Lösungsansatz ist, für beide Frequenzen eine unterschiedliche Abtastrate zu verwenden. Daraus folgt jedoch, dass zumindest der gesamte digitale Teil der A/D-Wandlung zweikanalig ausgeführt werden muss. Bei näherer Betrachtung der Anforderungen an die Störungserkennung können jedoch Vereinfachungen angenommen werden. So ist es beispielsweise nicht zwingend notwendig, dass der Störpegel laufend überwacht wird. Es ist ausreichend, wenn am Ende eines Intervalls eine unzulässige Störspannung festgestellt werden kann. Das Filter 2 kann folglich bei jedem Umschalten zurückgesetzt werden. Anschliessend lässt man das System einschwingen und bewertet die Amplitude. Dieser Ansatz erfordert eine neue Festlegung der Länge der Sendephase mit einer Frequenz.

Für das Filter 1 spielt die Länge der Sendeintervalle bis zum Umschalten keine Rolle, da die Änderung durch die Abtastung kompensiert wird. Setzt man für das Filter 2 zweckmässigerweise die gleiche Ordnung wie für Filter 1 an, so ergibt sich eine Einschwingzeit von ca. 170 ms. Für die anschliessende Bewertung können wieder zwei Intervalle mit je 40 ms angenommen werden. Jede Frequenz kann folglich innerhalb von 250 ms auf eine Störung untersucht werden. Die Forderung, dass nach ca. 500 ms eine Störungsmeldung abgegeben werden kann, wird knapp erfüllt.

Da unabhängig von der gewählten Strategie hinter den Filtern ein quasi-kontinuierliches Signal vorhanden ist, kann die Bewertung der Amplitude wie folgt durchgeführt werden. Zum Erkennung des Belegungszustandes eines Abschnitts genügt eine Bewertung der Amplitude des gefilterten Signals. Die Summation des Betrages des Signals über ein bestimmtes Intervall lässt sich leicht implementieren. Die Länge des Betrachtungsintervalls muss dabei mindestens der Periodendauer des Sendesignals entsprechen, sollte aus Sicherheitsgründen jedoch mehrere Schwingungen umfassen. Die Intervalllänge des bestehenden Systems von 40ms wird übernommen. Eine Anpassung ist jedoch aufgrund von neuen Erkenntnissen oder Messergebnissen denkbar. Das Ergebnis der Summation ist in Figur 11 gezeigt. Jede Verschiebung des Fensters ergibt einen neuen Punkt. Man erkennt, dass die Punkte einer leichten Schwingung unterworfen sind. Je schmaler das Betrachtungsfenster gewählt wird, desto ausgeprägter ist die Schwingung. Aus diesem Grunde darf das Fenster nicht zu klein gewählt werden. Ab 32 Samples sind die Ergebnisse zufriedenstellend.

Weiter wird ein Ansatz verfolgt, der die theoretisch maximale Immunität verspricht und Störungen dennoch so zuverlässig erkennen kann wie das bisherige System durch Auswertung eines Gap-Intervalls. Anstelle der Sendepause des bestehenden Systems wird in dieser Methode auf einer anderen Frequenz weiter gesendet und ein Filter im Empfänger der Sendefrequenz nachgeführt. Ein weiteres Filter wird auf die nicht genutzte Frequenz abgestimmt und ermöglicht die Bewertung von Störsignalen. Aus den verschiedenen, oben vorgestellten und diskutierten Ansätzen verspricht die Verwendung einer variablen Abtastrate und eines nichtkontinuierlichen Filters 2 den grössten Erfolg. Es umgeht die Notwendigkeit eines zweiten A/D-Wandlers und vermeidet die Probleme bei der Online-Nachführung der Koeffizienten von Filter 1. Die Sendedauer einer Frequenz wird auf 250 ms festgelegt.

Die wichtigsten Betriebsparameter lauten: Parameter Wert Überabtastfreauenz los = 12,8 kHz Abtastfrequenz 1s = 1600 Hz Sendefrequenz 1 f1 = 208,1 Hz Sendefrequenz 2 f2 = 224,2 Hz Sendefrequenz 3 f3 = 241,3 Hz Sendephase Kanal A ta = 210 ms Sendephase Kanal B tb = 210 ms

Die Spektralanalyse-Methode benutzt im Gegensatz zu allen anderen, vorgestellten Methoden zusätzliche Information im Frequenzbereich des empfangenen Signals. Die heute verfügbaren Signalprozessoren und schnellen Transformationsalgorithmen lassen eine grundlegende Analyse der Empfangssignale sinnvoll erscheinen. Der Empfänger dieser Methode besitzt eine einfache, aus drei Funktionsblöcken bestehende Struktur (Figur 10). Auf das empfangene, digitalisierte Signal wird eine diskrete Transformation angewandt. Die berechneten Koeffizienten beinhalten alle nötigen Informationen, um Belegungszustand und Störung des Abschnitts bewerten zu können. Als Transformationen kommen beispielsweise die short-time discrete fourier transformation und die wavelet transformation zum Einsatz. Die Festlegung der Parameter der STFT hat Auswirkung auf das zu wählende Sendesignal. Dieser Mechanismus ist nachfolgend noch beschrieben.

Die beschriebene Wandlerarchitektur mit Anti-Alias-System kann unverändert übernommen werden.

Zur Auswertung des empfangenen Signals kommen zwei Transformationen in Betracht, die in den folgenden Abschnitten beschrieben werden. Zuerst wird die Belegungserkennung mit Hilfe der STFT realisiert. Sie verwendet Fenster der festen Lange i_n = 2 Samples und ist gut digital implementierbar. Die Auflösung im Frequenzbereich muss besser als Δf = 16 Hz sein. Dies entspricht in etwa dem Abstand der Sendefrequenzen. Für die erforderliche Fensterlange in gilt: $$\frac{f_s}{m}\le 16\mathrm{Hz}$$

Die Unschärfe zwischen zeitlicher und spektraler Auflösung erfordert einen Kompromiss, der durch die Gleichung $$\mathrm{\Delta }\mathit{f}=\frac{f_{\mathrm{s}}}{m}=\frac{1}{\mathrm{\Delta }\mathit{t}}$$ beschrieben wird.

Die Wahl von i_n = 256 unter der Voraussetzung fs = 1600 Hz führt zu einem Beobachtungsfenster von Δt = 160 ms und einer Frequenzauflösung von Δf = 6,25 Hz. Eine Verdoppelung von i_n führt zu einem unzulässig langen Fenster und eine Halbierung verschlechtert die Frequenzauflösung, so dass eine saubere Signalerkennung erschwert wird.

Für die Berechnung der FFT auf einem digitalen System existiert eine Vielzahl von Algorithmen. Viele Anbieter von DSPs oder FPGAs bieten direkt fertige IP-cores an, welche speziell auf die Zielhardware zugeschnitten sind. Dadurch sind auf preisgünstigen Bausteinen bereits Transformationszeiten von wenigen µs möglich. Für diese Anwendungen sind solche Leistungen jedoch überflüssig und es bleibt zu prüfen, ob nicht durch eine eigene Implementation Platz auf Kosten der Leistung eingespart werden kann. Die Verwendung selbst entwickelter Systeme vereinfacht die Argumentation bei der Zulassung und kann zur Kostenreduktion beitragen.

Der Ausgang des Funktionsblocks Transformation liefert, unabhängig von der gewählten Transformation, einen Satz von Koeffizienten, welche das ursprüngliche Signal repräsentieren. Im Unterschied zu den anderen Methoden wird nicht die Amplitude im Zeitbereich gemittelt und bewertet, sondern die berechneten Koeffizienten mit Schwellenwerten verglichen. Im Falle eines mit der STFT transformierten Signals müssen in jedem Intervall nur drei Koeffizienten untersucht werden. Wenn die FFT mit den oben angegebenen Parametern berechnet wurde, repräsentieren die Koeffizienten 34, 37 und 40 genau die Anteile der Sendefrequenzen. Mehr Information ist in der Regel für die Transitions-Entscheidung nicht notwendig. Wie oben erläutert, muss zur Einhaltung der Zeitbedingung für eine Belegung die Bewertung der Koeffizienten permanent erfolgen. Die Erkennung einer Isolierstossüberbrückung benötigt diese fortlaufende Information ebenfalls, da die benachbarten Gleisstromkreise nicht synchronisiert sind. So wird sichergestellt, dass die Einwirkzeit des Nachbarstromkreises auf dem unbenutzten Kanal ausreichend lang ist. Für die Detektion aller anderen Betriebsfälle genügt die Bewertung der Koeffizienten zu bestimmten Zeitpunkten. Die Zeitpunkte sind so gewählt, dass das FFT-Fenster vollständig innerhalb eines Senderintervalls liegt und folglich nur ein Koeffizient die Information über das Sendesignal enthält.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der durch Laufzeiteffekte auftretende, zeitliche Übergangsbereich beim Umschalten zwischen den Kanälen vermieden werden kann. Zur punktuellen Bewertung wird das Intervall genutzt, welches 10 ms nach dem Umschalten der Sendefrequenz beginnt. Die Figuren 13, 15 und 16 verdeutlichen den zeitlichen Verlauf der Auswertung im ungestörten Zustand. Die markierten Koeffizienten stellen die Werte zu den fixen Zeitpunkten dar.

Für das Auslösen einer der in Figur 11 gezeigten Transitionen dienen die FFT-Koeffizienten. Sie werden fortlaufend berechnet, in den meisten Fallen jedoch nur punktuell für die Bewertung berücksichtigt. Die Ausnahmen sind die Transition T1 sowie T3 bei der Isolierstossüberbrückung. Die jeweils aktive Frequenz wird nachfolgend als Kanal A mit dem zugehörigen Koeffizienten Ca bezeichnet. Die Frequenz, auf der gerade nicht gesendet wird, ist Kanal B mit dem Koeffizient Cb. Die Frequenzen von Kanal A und B werden folglich mit jedem Intervall vertauscht. Die Koeffizienten entsprechen dem Empfangspegel in den übrigen Methoden und werden ebenfalls mit Schwellenwerten verglichen.

Die Transition T1 wird genau dann aktiv, wenn der GSK im Zustand S1 ist und die Koeffizienten der beiden eingestellten Frequenzen gilt: $$\mathrm{Ca}+\mathrm{Cb}\le \mathrm{P}\mathrm{2}$$

Durch die kontinuierliche Auswertung wird die Zeitbedingung jederzeit eingehalten. Die Belegung sollte nicht unmittelbar nach der Erkennung gemeldet werden, sondern für die noch verbleibenden knapp 100 ms weiter beobachtet werden, um den Einfluss von kurzzeitigen Störungen zu verringern. Die Anforderung an die Transition ist nicht sehr restriktiv, da S2 der sichere Zustand ist. Im Falle einer Störung kann es vor der Störungsmeldung zu einer kurzen Belegung kommen. Im nächsten fixen Intervall wird die Störung jedoch zuverlässig erkannt. Dieses Vorgehen ist erlaubt. Die Transition T2 wird aktiv, wenn der GSK im Zustand S2 ist und in zwei aufeinander folgenden, fixen Intervallen gilt: $$\mathrm{Ca}\ge \mathrm{P}\mathrm{1}\mathrm{und\; Cb}<\mathrm{Ptr}$$

T2 ist folglich restriktiver als T5. Es wird sichergestellt, dass auf keiner der beiden verwendeten Frequenzen eine Störung zu einer falschen FM führen kann, ohne dass sie erkannt wird.

Die Transition T3 wird aktiv, wenn der GSK im Zustand S1 ist und eine der folgenden Fälle auftritt:

• Eine Übersteuerung wird erkannt, wenn $$\mathrm{Ca}>\mathrm{Pmax}$$

in zwei aufeinander folgenden Intervallen ist. Es ist davon auszugehen, dass der Pegel auf beiden Frequenzen zu hoch ist. Falls der Pegel nur auf einer Frequenz zu hoch ist, handelt es sich um eine konstruktive Überlagerung mit einer Störspannung. Der Abschnitt kann frei bleiben, da die Belegungserkennung über die ungestörte Frequenz weiterhin möglich ist.

Eine Bettungsstörung wird erkannt, wenn für den Koeffizient von Kanal A in zwei aufeinander folgenden Intervallen gilt: $$\mathrm{P}\mathrm{2}<\mathrm{Ca}<\mathrm{P}\mathrm{1}$$

Zur Erkennung der Isolierstossüberbrückung wird der Koeffizient Cx der ungenutzten Frequenz bewertet. Für die Erkennung steht eine lange Beobachtungszeit zur Verfügung. Diese sollte ausgenutzt werden, um sicherzustellen, dass die Isolierstossüberbrückung nicht aufgrund einer kürzeren Störung durch Traktionsstöme erzeugt wird. Die Störung wird erkannt, wenn der Koeffizient der unbenutzten Frequenz häufig erfüllt ist. $${\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}>{\mathrm{P}}_{\mathrm{iso}}$$

Da die benachbarten GSK nicht synchronisiert sind, muss sichergestellt werden, dass auch bei ungünstiger Verschiebung zwischen den Intervallen der beiden GSK der Pegel ausreichend hoch ist. Dies wird durch die kontinuierliche Auswertung des unbenutzten Kanals sichergestellt.

Eine Traktionsstromstörung äussert sich durch: $$\mathrm{Cb}>{\mathrm{P}}_{\mathrm{Tr}}$$

Die Transition T4 beschreibt die Befreiung des GSK aus der Störung in eine reguläre Belegung. Für diesen Übergang stehen mehr als die 250 ms der Transition T1 zur Verfugung. Um T4 auszulösen, müssen in zwei aufeinander folgenden Intervallen $$\mathrm{ca}\le \mathrm{P}\mathrm{2}\mathrm{und\; cb}\le \mathrm{P}\mathrm{2}$$ sein. Diese Bedingung ist notwendig, damit das System nicht permanent mit jedem Intervall zwischen S2 und S3 wechseln kann. Die zusätzliche Beobachtungszeit kann in Anspruch genommen werden, da beim Freifahren langsam und nicht mit Streckengeschwindigkeit gefahren wird.

T5: Die Transition T5 wird ausgelost, wenn der GSK im Zustand S2 ist und die gleichen Bedingungen wie bei T3 erfüllt sind.

Im vorhergehenden Abschnitt wurden neue Methoden erarbeitet, welche im ungestörten Fall eine Gleisfreimeldung ermöglichen. Neben dieser Grundfunktion sollen sie möglichst immun gegen dynamische Störungen sein. Um diese Eigenschaft genau bewerten und mit dem bestehenden System vergleichen zu können, werden in den folgenden Abschnitten verschiedene Störungen definiert. Die Charakteristik der Störung kann anhand von Erfahrungen durch Messwerte oder durch theoretische Überlegungen festgelegt werden.
Im Laufe des Lebenszyklus des UGSK von Siemens Schweiz AG wurden zahlreiche Messungen direkt an der Streckeninfrastruktur sowie im Primärkreis von Triebfahrzeugen durchgeführt.

Mit solchen punktuellen Messungen können grundlegende Eigenschaften der zu erwartenden Störungen analysiert werden. Eine repräsentative Übersicht über alle möglichen Störszenarien durch sämtliche Triebfahrzeuge, Zuge und besondere Betriebsfälle ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Die bisher durchgeführten Messungen betrachteten lediglich Teile der zu erwartenden Störungen. Aus den zur Verfügung stehenden Messergebnissen können folgende Eigenschaften der Störungen abgeleitet werden:

• Die Traktionsrückströme von Umrichterfahrzeugen enthalten bei kleinen Geschwindigkeiten einen hohen Oberwellenanteil. Die Amplituden unterschreiten die Grenzwerte jedoch deutlich. In den Messungen unter 15 kV/16.7 Hz treten über 200 Hz keine nennenswerten Harmonische mehr auf. Bezüglich des 25 kV/50 Hz Netzes liegen momentan keine Messungen vor. Die Traktionsrückströme von Umrichterfahrzeugen enthalten bei hohen Geschwindigkeiten einen vergleichbaren Oberwellenanteil wie bei kleinen Geschwindigkeiten. Die Amplitude der Grundwelle ist aufgrund der umgesetzten Wirkleistung entsprechend grösser. In diesem Fall sind die Anteile über 200 Hz ebenfalls vernachlässigbar.

Die Auswirkungen der Zugsammelschiene sind bisher nur wenig bis gar nicht untersucht. Daher sei die Annahme erlaubt, dass neben der Grundwelle und deren Harmonischen ein nennenswertes Rauschen auftritt. Im Gegensatz zu den harmonischen Emissionen der Triebfahrzeuge unterliegt die Zugsammelschiene keinen Grenzwerten. Fahrzeuge mit Gleichstrommaschinen ohne Leistungselektronik erzeugen keine störenden Oberwellenanteile. Sie haben keinen Einfluss auf die Gleisstromkreise über 200 Hz. Die Einflüsse von ausserordentlichen Betriebsfällen sind ebenfalls noch unzureichend untersucht. Dazu gehören beispielsweise das Überfahren einer Schutzstrecke mit eingeschaltetem Hauptschalter oder ein Fahrleitungskurzschluss. In diesen Fallen sind kurze, hohe Stromimpulse in der Schiene denkbar.

Alle Anlagen in der Bahntechnik werden auf eine Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt. Die Fortschritte in der Leistungselektronik der letzten Jahre haben gezeigt, dass ein Abschätzen der zukünftigen Störeinwirkung auf diese Anlagen nicht trivial ist. Die installierte Leistung auf einem Triebfahrzeug wird aus mechanischen Gründen nicht deutlich ansteigen, dafür werden vor allem Güterzuge schwerer und mit mehr Triebfahrzeugen geführt.

Die Länge von Personenzügen lässt sich aufgrund der beschränkten Infrastruktur nicht übermässig vergrössern. Die Leistungsaufnahme über die Zugsammelschiene und der damit verbundene Störeinfluss werden durch die wachsenden Komfort- und Service-Anspruche der Kunden mit Sicherheit steigen. Ein weiterer Trend sind flexible, schnelle Triebzüge mit einem verteilten Antriebskonzept, deren Leistung die eines einzelnen Triebfahrzeugs deutlich übersteigen kann. In der Schweiz fehlen auch hier mangels Fahrzeugen aussagekräftige Messungen. Die Störungen im realen Betriebsumfeld werden in Zukunft zwar an Intensität zunehmen, aber ihre grundlegende Charakteristik nicht bedeutend ändern.

Als Grundlage für die Performance-Analyse der neuen Methoden dienen die in diesem Abschnitt beschriebenen Testsignale. Sie sind so gewählt, dass sämtliche, theoretisch möglichen Störungen abgedeckt sind.

Die Schienenströme als Verursacher der Störsignale sind in ihren Grenzwerten durch den Hauptbetreiber und hausintern beschrieben. In der Nähe der Sendefrequenzen dürfen 4 Ampere rms nicht überschritten werden.

Als Störung wird ein sinusförmiges Signal mit einer einzigen Frequenz auf das Sendesignal addiert. Alle Parameter des Signals sind variabel. Die Frequenz sollte im Durchlassbereich des Filters liegen.
Die Amplitude wird in den Beispielen so gewählt, dass eine Auslöschung des Sendesignals möglich ist. Die Berechnung der Störspannung aus dem maximal zulässigen Schienenstrom bei langen Abschnitten zeigt, dass die Störspannung die gleiche Amplitude wie das Sendesignal annehmen kann.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Signal im realen Bahnbetrieb auftritt, ist sehr gering. Dennoch wird es als Testsignal verwendet, da es insbesondere für die Methoden mit kontinuierlichem Sendesignal eine Herausforderung darstellt.

Die Einflüsse der Zugsammelschiene werden durch ein mittelwertfreies Rauschen nachgebildet. Im Durchlassbereich des Empfangsfilters treten damit zufällige, verschieden hohe Störanteile auf. Die SNR wird dabei bewusst sehr klein gehalten, um die nennenswerten Leistungen nachzubilden.

Ein Traktionsstrom mit der Grundfrequenz von 16,7 Hz und die ersten 15 Harmonischen bilden die Einflüsse eines fahrenden Zuges nach. Die festgelegten Sendefrequenzen liegen zwar neben den Harmonischen, allerdings kann ein zu breites Empfangsfilter diese mit einschliessen. Die Störung kann im Durchlassbereich wie ein Sinussignal einer Frequenz beschrieben werden, da die Filter ausreichend schmal sind.

Mit Hilfe dieses Signals wird untersucht, wie lange eine Störung mindestens einwirken muss, um eine falsche Freimeldung oder Belegt meldung zu erzeugen.
Die Ergebnisse können dazu verwendet werden, die Strategie bei der Störungsbehandlung in der Feinplanung zu verbessern. Es ist beispielsweise denkbar, dass eine zu kurze, gemeldete Belegung nachträglich als Störung behandelt wird.

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise werden mit Hilfe von MAT-LAB Simulationen erstellt. In Abbildung 13 wird die grundsätzliche Funktionsweise dieser Methode dargestellt. Die obere Grafik zeigt das abgetastete Empfangssignal während 400 Samples. An den markierten Zeitpunkten findet die Umschaltung zwischen den Frequenzen f1 und f2 statt. Die 256 Abtastwerte innerhalb des markierten FFT-Fensters dienen als Eingangsdaten für die Transformation. Sie sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt.

Die untere Grafik zeigt den zugehörigen zeitlichen Verlauf der drei ausgewählten Koeffizienten der FFT. Da die Sendeperiode auf einem Kanal länger ist als das FFT-Fenster, gibt es ausgewählte Zeitpunkte, an denen nur eine Frequenz des Senders im Transformationsergebnis vorkommt. Diese Zeitpunkte sind markiert.

Die Abbildung 14 zeigt die Koeffizienten zu den ausgezeichneten Zeitpunkten über eine längere Zeit. Im ungestörten Zustand erreicht der Koeffizient ca den Normalwert, während cb verschwindet. Wenn diese Situation mindestens zwei Intervalle lang vorliegt, gilt der Abschnitt sicher als frei. Neben der Erkennung des freien Zustandes mit Hilfe der Koeffizienten an den fixen Zeitpunkten erkennt das System eine Belegung mittels der fortlaufend berechneten Koeffizienten. Eine ausreichend gute Belegung erzeugt den in Abbildung 15 dargestellten Verlauf der Koeffizienten. Ab dem 960. Sample ist der Abschnitt belegt. Während der folgenden 160 ms werden die Koeffizienten kleiner und anschliessend die Belegung erkannt, da sowohl c1 als auch c2 unter P2 gefallen sind. Diese Situation kann für weitere 100 ms beobachtet werden, bevor die Belegung gemeldet wird. Diese Betriebsfälle zeigen, dass die Auswertung die Grundfunktion erfüllen kann. Die Übersteuerung und die Bettungsstörung werden mit der gleichen Information und anderen Schwellenwerten erkannt. Die Isolierstossüberbrückung als verbleibende statische Störung bedarf einer getrennten Betrachtung.

Die benachbarten UGSK müssen so eingestellt werden, dass sie sich immer in einer Sendefrequenz unterscheiden. Für das Beispiel in Abbildung 16 benutzt der simulierte GSK die Frequenzen 11 und 12, der Nachbar die Frequenzen 12 und 13. Nach 400 Abtastungen kommt es zu einer Stossüberbrückung und der Empfänger erhält zusätzlich das Signal des benachbarten GSK. Dabei hängt das Verhältnis der Amplituden von den Parametern der Infrastruktur ab. Deren Änderung ist in diesem Beispiel nicht berücksichtigt. Die Phasenlage und die Umschaltzeitpunkte der Frequenz sind ebenfalls zufällig, da die Taktquellen der GSK nicht synchronisiert sind.

Die abwechselnde Verwendung von zwei Frequenzen mit identischen Sendeperioden stellt jedoch sicher, dass die nicht gemeinsamen Frequenzen der beiden GSK während mindestens eines halben Auswerteintervalls einwirken und hier der Koeffizient c3 ausreichend gross wird. Das Beispiel zeigt diesen Grenzfall. Beim Sample 816 werden die Koeffizienten ausgewertet und dort ist c3 >> 0. Tritt dieses Ereignis in der 20 Sekunden langen Beobachtungszeit zu häufig auf, kann die Isolierstossüberbrückung gemeldet werden.

Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Methode die Koeffizienten einer schnellen Fourier-Transformation des empfangenen Signals bewertet. Sie bietet die folgenden Vorteile:

• Die effektive Störbandbreite ist mit 12,5 Hz vergleichbar zur neuen Methode und damit um den Faktor 2 besser als beim bestehenden System. Für die Belegung müssen keine ungünstigen Zeitpunkte berücksichtigt werden, welche zu Kompromissen in der Immunität führen. Ein Auslöschen des Sendesignals durch eine schmalbandige Störung ist nicht möglich. Durch die wechselnde Sendefrequenz werden künstliche Sendepausen erzeugt. Sie ermöglichen eine vergleichbare Störungserkennung wie der im Stand der Technik bekannte Gleisstromkreis UGSK 95 der Firma Siemens Schweiz AG.

Die FFT ist hinlänglich untersucht und digital implementierbar. Der Sicherheitsnachweis kann geschlossen erbracht werden. Dagegen sprechen nur folgende geringfügige Nachteile dieser Methode: Die FFT benötigt geringfügig mehr Rechenleistung als die drei FIR-Filter. Die zeitlichen Grenzwerte für die Störungserkennung lassen sich im worst case-Fall nur knapp einhalten. Diese Grenzwerte sind jedoch keine absoluten Limite, sondern verstehen sich eher als Richtwerte.

Die wichtigsten Betriebsparameter der Methode lauten: Parameter Wert Überabtastfrequenz los = 12,8 kHz Abtastfrequenz 1s = 1600 Hz Sendefrequenz 1 f1 - 208,1 Hz Sendefrequenz 2 f2 = 225,0 Hz Sendefrequenz 3 f3 = 243,75Hz Senderintervall ta,b = 170 ms FFT-Fensterlänge In = 256 FFT-Genauigkeit 16 Bit