[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Entgleisung eines Schienenfahrzeugs
gemäß dem Patentanspruch 1.
[0002] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mittels OTDR (Optical Time Domain Reflektometrie)
in Ort und Zeit aufgelöste Messwerte aufzunehmen, die angeben, ob an bestimmten Punkten
Druckänderungen bzw. Vibrationen (Luftschall, Bodenschall) vorhanden sind. Im konkreten
Fall wird zur Bestimmung der Drücke eine optische Faser, beispielsweise ein Glasfaserkabel,
verwendet, wobei Brechungsindexänderungen, die von Druckänderungen oder Vibrationen
abhängig sind, dadurch gemessen werden können, dass das Reflexionsverhalten eines
Lichtimpulses, der in das Glasfaserkabel eingeleitet wird, von den einzelnen Druckänderungen
abhängt. Wird ein solches Glasfaserkabel im Bereich der Fahrtstrecke eines Schienenfahrzeugs
verlegt, können vor allem dessen abgegebene akustische Schwingungen gemessen werden,
da solche Vibrationen und Schwingungen Druckänderungen im Bereich des Glasfaserkabels
erzeugen, was wiederum zu einer lokalen Änderung des Brechungsindex des Glasfaserkabels
führt. Damit besteht letztlich die Möglichkeit, dass das Glasfaserkabel einen lang
gestreckten akustischen Sensor darstellt, mit dem Messwerte zur Charakterisierungen
von Vibrationen oder Druckänderungen an einer Vielzahl von Wegpunkten bestimmt werden,
die entlang eines Fahrtwegs eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Das so erhaltene
Signal stellt ein örtlich verteiltes Mikrofonsignal dar, das für eine Vielzahl von
Ortspunkten (M
1 ... M
100) erfasst werden kann.
[0003] Gerade bei Eisenbahnanlagen besteht der wesentliche Vorteil, dass für die betriebsbedingt
erforderlichen Kommunikationsanwendungen ohnehin Kabel in Form von Glasfaserkabeln
verlegt sind. Dabei sind in einem Glasfaserbündel regelmäßig auch mehrere unbenutzte
Glasfasern enthalten, die für OTDR-Messungen verwendet werden können. Diese Messungen
erfassen die von Schienenfahrzeugen abgegebenen Druckänderungen oder akustischen Schwingungen
in Raum und Zeit.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein konkretes Vorgehen zur Verfügung zu stellen, mit
dem die Entgleisung eines Schienenfahrzeugs aufgrund von akustischen Messungen ermittelt
werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Entgleisung eines Schienenfahrzeugs,
- a) wobei entlang des Fahrtwegs mittels eines langgestreckten akustischen Sensors Messwerte
zur Charakterisierung von Vibrationen oder Druckänderungen an einer Vielzahl von entlang
des Fahrtwegs angeordneten Ortspunkten bestimmt werden,
- b) wobei für eine Anzahl von Ortspunkten entlang des Fahrtwegs und für eine Anzahl
von Zeitpunkten jeweils ein Messwert zur Charakterisierung der Vibration oder einer
Druckänderung zur Verfügung gestellt wird,
- c) wobei eine Trajektorie des Schienenfahrzeugs in Bezug auf die Wegpunkte in der
Zeit ermittelt oder vorgegeben wird, die Trajektorie den Ortspunkt eines vorgegebenen
Teils des Schienenfahrzeugs zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines Zeitbereichs angibt,
- d) wobei für Ortspunkte jeweils separat
- im Bereich des Schienenfahrzeugs bzw. dessen Trajektorie im jeweiligen Ortspunkt eine
Anzahl von Zeitfenstern vorgegeben wird,
- in jedem der Zeitfenster des Ortspunkts separat jeweils die Signalenergie innerhalb
eines vorgegebenen Frequenzbands ermittelt wird, und diese Signalenergie einem dem
Zeitfenster zugeordneten Zeitpunkt zugewiesen wird, sodass ein diskretes Signal, jedem
Ortspunkt für einzelne Zeitpunkte die zugehörigen Signalenergien zuordnet, zur Verfügung
steht,
- e) die einzelnen Werte des diskreten Signals entsprechend der Trajektorie des Schienenfahrzeugs
derart einander zugeordnet werden, und gegebenenfalls entzerrt und interpoliert, werden,
dass die von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs ausgehenden Werte aus dem diskreten
Signal einander zugeordnet werden,
- f) wobei die einzelnen einander zugeordneten, insbesondere gegeneinander verschobenen
und gegebenenfalls entzerrten und interpolierten, Werte des diskreten Signals, gegebenenfalls
gewichtet, über die Zeit und/oder über den Ort aggregiert, insbesondere summiert,
werden, und derart ein charakteristisches Signal ermittelt wird, das als charakteristisch
für das Schienenfahrzeug angesehen wird.
[0005] Eine numerisch wenig aufwendige und vorteilhafte Vorgehensweise zur Detektion von
Entgleisungen eines Schienenfahrzeugs sieht vor, dass für dasselbe Schienenfahrzeug
an mehreren Stellen entlang des Fahrtwegs gemäß vorstehend genannten Schritten a)
bis f) jeweils ein charakteristisches Signal ermittelt wird, dass die charakteristischen
Signale miteinander verglichen werden, wobei ein Übereinstimmungswert ermittelt wird,
der angibt, wie gut die beiden charakteristischen Signale miteinander übereinstimmen,
und dass für den Fall, dass die durch den Übereinstimmungswert indizierte Übereinstimmung
einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, eine Entgleisung festgestellt wird.
[0006] Eine besonders einfache Art der Bildung eines charakteristischen Signals sieht vor,
dass zur Bestimmung des charakteristischen Signals aus dem diskreten Signal für jeden
Zeitpunkt jeweils ein separates diskretes Ortssignal entnommen wird, die einzelnen
diskreten Ortssignale entsprechend der Trajektorie derart verschoben werden, dass
von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs herrührende Signalanteile jeweils auf derselben
Ortsposition zu liegen kommen, und die derart verschobenen Ortssignale ortspunktweise
aggregiert werden.
[0007] Alternativ kann zur Bestimmung eines charakteristischen Signals, insbesondere für
gleichmäßig bewegte Schienenfahrzeuge, vorgesehen sein, dass aus dem diskreten Signal
für jeden Ortspunkt jeweils ein separates diskretes Zeitsignal entnommen wird, die
einzelnen diskreten Zeitsignale entsprechend der Trajektorie derart verschoben und
gegebenenfalls entzerrt werden, dass von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs herrührende
Signalanteile jeweils auf denselben Zeitpunkt fallen, die derart verschobenen Zeitsignale
zeitpunktweise aggregiert werden und das so erhaltene Ergebnis als charakteristisches
Signal herangezogen wird.
[0008] Vorteilhafterweise kann bei beschleunigten oder verzögerten Schienenfahrzeugen vorgesehen
sein, dass die einzelnen Zeitsignale vor der Aggregation bei Vorliegen von Beschleunigungen
und Verzögerungen des Schienenfahrzeugs in der Trajektorie entzerrt werden, sodass
von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs herrührende Signalanteile jeweils auf denselben
Zeitpunkt fallen.
[0009] Eine besonders vorteilhafte Messung mittels des OTDR-Verfahrens sieht vor, dass die
diskreten Signale entsprechend der Trajektorie des Schienenfahrzeugs derart gegeneinander
verschoben werden, dass sich die Fensterstützpunkte an diskreten äquidistanten und
in jedem Ortskanal gleich festgelegten Zeiten befinden, und zur Verschiebung entsprechend
der Trajektorie die diskreten Zeitsignale nur um ganzzahlige Vielfache des Abstands
dieser Zeiten verschoben werden, oder die einzelnen Ortskanäle interpoliert und anschließend
verschoben werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein die einzelnen Ortskanäle zu
interpolieren und anschließend zu verschieben.
[0010] Eine besonders vorteilhafte Messung mittels des OTDR-Verfahrens sieht vor, dass die
Vibrationen und Druckänderungen mittels eines Glasfaserkabels ermittelt werden, wobei
das Glasfaserkabel entlang des Fahrtwegs liegt und von den vom Fahrtweg ausgehenden
Erschütterungen betroffen ist, wobei zu vorgegebenen Zeitpunkten, insbesondere mit
einer Frequenz zwischen 100 Hz und 10 kHz, jeweils ein Lichtimpuls in das Glasfaserkabel
abgegeben wird, das aus dem Glasfaserkabel zurückkehrende Licht gemessen wird, wobei
entsprechend der zeitlichen Verzögerung des zurückkehrenden Lichts das Signal einem
Ortspunkt entlang des Fahrtwegs zugeordnet wird, und wobei die Stärke oder Phase des
zurückkehrenden Lichts als Messwert zur Charakterisierung von Vibrationen oder Druckänderungen
im betreffenden Ortspunkt herangezogen wird.
[0011] Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der Trajektorie des Anfangs des
Schienenfahrzeugs am Fahrtweg für eine Anzahl von Ortskanälen jeweils die Signalenergien
in einer Mehrzahl von Zeitpunkten innerhalb eines bestimmte Zeitbereichs innerhalb
eines bestimmten Frequenzbands oder mehrerer bestimmter Frequenzbänder ermittelt werden
und dass die Trajektorie innerhalb eines Zeitbereichs und eines Ortskanals liegend
festgestellt wird, wenn die ermittelte Signalenergie oder die ermittelten Signalenergien
vorgegebenen Kriterien entsprechen, insbesondere, dass die ermittelte Signalenergie
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
wobei insbesondere die Trajektorie des Anfangs oder des Endes des Schienenfahrzeugs
ermittelt wird, indem für jeden Ortskanal der jeweils früheste oder späteste Zeitpunkt
ermittelt wird, in dem die Signalenergie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet
oder unterschreitet.
[0012] Die Genauigkeit der Bestimmung der Trajektorie des Fahrzeugs aus den ermittelten
Messwerten wird verbessert, indem vor der Bestimmung der Signalenergie innerhalb eines
Fensters die Messwerte innerhalb dieses Fensters einzeln mit vorgegebenen Gewichtswerten
gewichtet werden.
[0013] Eine besonders vorteilhafte Heuristik zur Detektion von Entgleisungen in charakteristischen
Signalen sieht vor, dass ein Maßwert für die Wahrscheinlichkeit einer Entgleisung
ermittelt wird, der eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Entgleisung indiziert, wenn
die beiden charakteristischen Signale an einzelnen Positionen eine große Abweichung
zeigen, im Übrigen jedoch übereinstimmen.
wobei eine Entgleisung insbesondere dann festgestellt wird, wenn beim Vergleich zweier
vom selben Schienenfahrzeug vor und nach der Entgleisung aufgenommener Signale einen
Schwellenwert überschreitende Unterschiede lediglich in einer einen oberen Schwellenwert
unterschreitenden Stellen des charakteristischen Signals vorhanden sind.
[0014] Numerisch kann dies besonders einfach und vorteilhaft erkannt werden, indem eine
Entgleisung insbesondere dann festgestellt wird, wenn beim Vergleich zweier vom selben
Schienenfahrzeug vor und nach der Entgleisung aufgenommener Signale einen Schwellenwert
überschreitende Unterschiede lediglich in einer einen oberen Schwellenwert unterschreitenden
Stellen des charakteristischen Signals vorhanden sind.
[0015] Eine besonders rasche Erstellung von charakteristischen Signalen mit für den Vergleich
zur Entgleisungsdetektion ausreichender Aussagekraft sieht vor, dass für die Bestimmung
eines charakteristischen Signals jeweils Messwerte m herangezogen werden, die innerhalb
eines Zeitbereichs von weniger als 20 Sekunden, insbesondere von weniger als 2 Sekunden
aufgenommen wurden.
[0016] Eine rasche Detektion von Entgleisungen sieht vor, dass charakteristische Signale
zur Detektion von Entgleisungen laufend, insbesondere in Zeitintervallen von zwischen
0,5 und 10 Sekunden erstellt werden und/oder dass zur Detektion von Entgleisungen
Vergleiche zwischen charakteristischen Signalen vorgenommen werden, die innerhalb
von weniger als 10 Sekunden erstellt wurden.
[0017] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der folgenden Zeichnungsfiguren
näher dargestellt.
[0018] In
Fig. 1 ist ein Schienenfahrzeug dargestellt, dass sich entlang eines Fahrtwegs bewegt. In
Fig. 2 sind Messwerte für einen vorgegebenen Abstand vom OTDR-Messgerät dargestellt. In
Fig. 3 ist schematisch ein Feld von Messwerten dargestellt. In
Fig. 4 ist die Filterung der Messwerte dargestellt.
Fig. 5 zeigt die einzelnen für die Gewichtung der Ortskanäle herangezogenen Zeitfenster.
Fig. 6a und 6b zeigen die Bildung einer charakteristischen Funktion gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
Fig. 7a und 7b zeigen die Bildung einer charakteristischen Funktion gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
Fig. 8a und 8b zeigen die Feststellung bzw Nicht-Feststellung einer Entgleisung.
[0019] In
Fig. 1 ist ein Schienenfahrzeug 1 dargestellt, dass sich entlang eines Fahrtwegs 2 bewegt.
Parallel zu dem Fahrtweg 2 verläuft ein Glasfaserkabel 3, das an eine OTDR-Messeinheit
4 angeschlossen ist. Wie bereits eingangs erwähnt, ermittelt die OTDR-Messeinheit
4 die Vibrationen und Druckänderungen an einer Vielzahl von entlang des Fahrtwegs
2 auf der Glasfaserleitung 3 angeordneten Ortspunkten M
1 ... M
100. Die Glasfaserleitung 3, die entlang des Fahrtwegs 2 liegt, ist von den vom Schienenfahrzeug
1 ausgehenden Erschütterungen betroffen bzw. ist diesen Erschütterungen unterworfen.
[0020] Zu vorgegebenen Zeitpunkten werden Lichtimpulse in die Glasfaserleitung 3 abgegeben.
Diese Lichtimpulse werden insbesondere mit einer Häufigkeit oder Frequenz zwischen
100 Hz und 10 kHz abgegeben. Das aus der Glasfaserleitung 3 zurückkehrende Licht wird
gemessen, wobei entsprechend der zeitlichen Verzögerung des zurückkehrenden Lichts
das Signal einem Ortspunkt M
1 ... M
100 entlang des Fahrtwegs 2 zugeordnet wird.
[0021] Aufgrund der bekannten Signalgeschwindigkeit in der Glasfaserleitung 3 kann aufgrund
des Zeitpunkts, zudem ein Signalanteil zu der OTDR-Messeinheit 4 reflektiert wird,
auf denjenigen Ortspunkt M
1 ... M
100 im Fahrtweg 2 rückgeschlossen werden, die einer vorgegebenen Erschütterung unterliegt.
Die Stärke oder Phase des zurückkehrenden Lichts wird als Messwert zur Charakterisierung
von Vibration oder Druckänderungen im betreffenden Ortpunkt M
1 ... M
100 herangezogen.
[0022] Wird das vorstehend genannte Vorgehen zu einer Vielzahl von Zeitpunkten wiederholt,
so kann für eine Anzahl von Ortspunkten M
1 ... M
100 entlang des Fahrwegs 2 und für eine Anzahl von Zeitpunkten jeweils ein Messwert m(x,
t) zur Charakterisierung der Vibration oder einer Druckänderung zur Verfügung gestellt
werden. In
Fig. 2 sind Messwerte m(x, t) für einen vorgegebenen Abstand x vom OTDR-Messgerät dargestellt.
Das in
Fig. 2 dargestellte Signal ist sehr hochfrequent; in
Fig. 2 sind lediglich eine obere und eine untere Hüllkurve dargestellt, zwischen denen das
Signal oszilliert. In
Fig. 3 ist schematisch ein Feld von Messwerten m(x, t) dargestellt, wobei für jeden Zeitpunkt
t und die Position x jedes Ortspunkts M
1 ... M
100 jeweils ein Messwert m(x, t) vorliegt. Der schraffierte Bereich enthält Messwerte
m(x, t), die von einer Schwellenwert überschreitenden Druckänderungen stammen, die
von einem konkreten Schienenfahrzeug 1 herrühren. Diese Messwerte m(x, t) sind im
Mittel betragsmäßig größer als die übrigen Messwerte m(x, t), die sich außerhalb des
schraffierten Bereichs befinden. Darüber hinaus ist im schraffierten Bereich eine
Trajektorie dargestellt, die den konkreten Zeit-Wegverlauf des Schienenfahrzeugs 1
darstellt. In allen Fällen kann eine Trajektorie x
0(t) sowohl als der Ortspunkt M
1 ... M
100, an dem sich der Anfang des Schienenfahrzeugs 1 befindet, als Funktion der Zeit t
als auch als Inverse t
0(x) dieser Funktion dargestellt werden, d.h. als Funktion, die angibt, zu welcher
Zeit t sich der Anfang des Schienenfahrzeugs 1 an dem Ortspunkt M
1 ... M
100 befindet.
[0023] Die Ermittlung eines solchen Zeit-Wegverlaufs in Form einer Trajektorie x
0(t) kann auf unterschiedliche Art vorgenommen werden, beispielsweise durch GPS-Messung
oder sonstige allgemein bekannte Navigationsverfahren. Daneben besteht auch die Möglichkeit,
dass zur Ermittlung der Trajektorie x
0(t) des Anfangs des Schienenfahrzeugs 1 am Fahrtweg 2 für eine Anzahl von Ortskanälen
jeweils die Signalenergien in einer Mehrzahl von Zeitpunkten innerhalb eines bestimmten
Zeitbereichs innerhalb eines bestimmten Frequenzbands oder mehrerer bestimmter Frequenzbänder
ermittelt werden. Das Schienenfahrzeug wird innerhalb eines der bestimmten Zeitbereiche
oder eines Ortskanals liegend festgestellt, wenn die ermittelte Signalenergie oder
die ermittelten Signalenergien vorgegebenen Kriterien entsprechen, insbesondere dann,
wenn die ermittelten Signalenergien einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.
Als Frequenzband kann im vorliegenden Fall beispielsweise ein Frequenzband zwischen
50 Hz und 150 Hz angenommen werden. Die Trajektorie x
0(t) des Anfangs oder des Endes des Schienenfahrzeugs kann beispielsweise ermittelt
werden, indem für jeden Ortskanal der jeweils früheste oder späteste Zeitpunkt ermittelt
wird, in dem die Signalenergie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder
unterschreitet. Alternativ kann die Trajektorie x
0(t) des Anfangs oder des Endes des Schienenfahrzeugs 1 ermittelt werden, indem für
jeden Zeitpunkt der jeweils der dem Messgerät 4 in Erstreckungsrichtung nächstgelegene
oder entfernteste Ortspunkt ermittelt wird, in dem die Signalenergie einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet.
[0024] Bei sämtlichen Verfahren wird die Trajektorie x
0(t) des Anfangs des Schienenfahrzeugs 1 in Bezug auf die Ortspunkte M
1 ... M
100 in der Zeit ermittelt oder vorgegeben. Die Trajektorie x0(t) gibt den Ortspunkt M
1 ... M
100 des Anfangs des Schienenfahrzeugs 1 zu jedem Zeitpunkt t innerhalb eines Zeitbereichs
an.
[0025] In weiterer Folge wird eine Filterung des Signals, wie in
Fig. 4 dargestellt, vorgenommen, wobei für die Ortspunkte M
1 ... M
100 jeweils separat die folgenden Schritte durchgeführt werden: Die konkrete Vorgehensweise
zur Filterung wird in Bezug auf einen konkreten Ortspunkt M
n näher dargestellt. Ausgehend von dem auf der Trajektorie liegenden Zeitpunkt t
0(M
n), der dem Ortspunkt Mn des jeweiligen Ortskanals zugeordnet wird, wird eine Anzahl
von Zeitfenstern U1....U7 vorgegeben, die gegenüber dem auf der Trajektorie liegenden
Zeitpunkt t
0(M
n) festgelegt sind. Das Zeitfenster U1 liegt im Bereich der Trajektorie, das Zeitfenster
U7 ist gegenüber dem dem Ortskanal zugeordneten Zeitpunkt t
0(M
n) am weitesten in Richtung des Endes des Schienenfahrzeugs verschoben. Typischerweise
weisen die einzelnen Zeitfenster U1....U7 eine Zeitdauer von 0,1s auf und erfassen
bzw. überdecken den Bereich, in dem Messwerte vorliegen, die vom Schienenfahrzeug
verursacht wurden.
[0026] Wie in
Fig. 5 dargestellt, wird für jedes der Zeitfenster U1....U7 jeweils eine Gewichtsfunktion
erstellt, mit der das dem jeweiligen Ortskanal an der Ortsposition M
n zugeordnete Zeitsignal gewichtet wird. Anschließend wird in jedem der Zeitfenster
U1....U7 des Ortskanals des Ortspunkts M
1 ... M
100 jeweils separat die Signalenergie innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbands ermittelt.
Das Frequenzband kann dabei zwischen 250 und 750 Hz liegen. Diese Signalenergie wird
dem Fenster U1....U7 zugeordnet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Signalenergie
einem dem Zeitfenster U1....U7 zugeordneten Zeitpunkt t zugewiesen wird. Bei diesem
Zeitpunkt t kann es sich beispielsweise um den Mittelpunkt des Zeitfensters U1....U7
handeln, es besteht aber auch die Möglichkeit, dass ein anderer Zeitpunkt für das
jeweilige Zeitfenster U1....U7 gewählt wird, solange hierbei die konkrete zeitliche
Abfolge der Zeitfenster erhalten bleibt. Aufgrund der ermittelten Signalenergien wird
ein diskretes Signal d(x, t) ermittelt, das einzelnen Zeitpunkten und jedem Ortspunkt
M
1 ... M
100 bzw. jedem Ortskanal die jeweiligen Signalenergien zuordnet.
[0027] Basierend auf dem ermittelten diskreten Signal d(x, t) werden die ermittelten Signalwerte
entsprechend der Trajektorie x
0(t) des Anfangs des Schienenfahrzeugs 1 einander zugeordnet, dass die von gleichen
Teilen des Schienenfahrzeugs 1 ausgehenden bzw. von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs
1 verursachten Werte aus dem diskreten Signal d(x, t) einander zugeordnet werden.
Entsprechend der Fortbewegung des Schienenfahrzeugs 1 besteht hierbei die Möglichkeit,
dass die einzelnen ermittelten Signalwerte d(x, t) entsprechend der Trajektorie t
0(x) oder x
0(t) entzerrt werden oder interpoliert werden. Die einzelnen einander zugeordneten
gegebenenfalls verschobenen entzerrten oder interpolierten Werte des diskreten Signals
werden aggregiert, im vorliegenden Fall summiert, wodurch ein charakteristisches Signal
C ermittelt wird. Dieses charakteristische Signal C weist für jeden Längsabschnitt
des Schienenfahrzeugs 1 jeweils einen Wert auf. Das charakteristische Signal C kann
insgesamt charakteristisch für das Schienenfahrzeug bzw. die von dem Schienenfahrzeug
abgegebenen Vibrationen oder Druckänderungen angesehen werden.
[0028] Um eine konkrete Zuordnung von Teilen des diskreten Signal d(x, t) entsprechend der
Trajektorie x
0(t) zu finden, können grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweise gewählt werden.
[0029] Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform (
Fig. 6a, 6b) innerhalb eines Intervalls der Erfindung wird für jeden Zeitpunkt [t
A; t
E] des diskreten Signals d(x, t) jeweils der auf das Schienenfahrzeug 1 zurückgehende
Signalanteil d
tA(x), d
t1(x), d
t2(x),...d
tE(x) ermittelt. Unter der Voraussetzung, dass das konkrete Schienenfahrzeug 1 während
der Fahrt seine Länge P nicht oder nur geringfügig ändert, kann aufgrund der konkreten
Trajektorie x
0(t) die Vielzahl der einzelnen Teilsignale d
tA(x), d
t1(x), d
t2(x), d
tE(x) entsprechend der Trajektorie x
0(t) derart verschoben werden, dass sämtliche vom selben Teil des Schienenfahrzeugs
1 ausgehenden Werte aus dem diskreten Signal d(x, t) jeweils auf den Punkt p im charakteristischen
Signal (C) werden. Anschließend werden die derart verschobenen Teilsignale punktweise
aggregiert.
[0030] Im Detail wird die Zuglänge als konstant mit P angenommen. Die Trajektorie des Zuganfangs
wird mit x
0(t) bezeichnet, die Trajektorie der Position p (p ∈ [0, P]) im Zug wird mit x
p(t) bezeichnet, die Trajektorie des Zugendes wird mit x
P(t) bezeichnet. Nachdem das Schienenfahrzeug 1 immer annähernd gleich lang ist und
die Wagen sich nicht - bzw für die Messung nur unwesentlich - verformen, gilt x
p(t)=x
0(t)-p. Betrachtet wird nun ein Zeitausschnitt [t
A, t
E]. Die Werte des diskreten Signals d(x, t) werden entlang der x-Achse abhängig von
t verschoben. Man erhält ein verschobenes Signal d
c(p,t)=d(x
p(t), t) für p ∈ [0,P] und t ∈ [t
A, t
E]. Dieses verschobene Signal d
c(p, t) ist abhängig von der Position bezogen auf das Schienenfahrzeug 1 und von der
Zeit. Danach kann durch Summation das charakteristische Signal des Schienenfahrzeugs
1 entsprechend der Formel C(p) = ∑
t∈[TA,
TE] d
c(p,t) ermittelt werden.
[0031] Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise (
Fig. 7a, 7b) zur Ermittlung eines charakteristischen Signals C sieht vor, dass dem diskreten
Signal d(x, t) für jeden Ortspunkt M
1 ... M
100; x
A, x
1, x
2, x
E jeweils ein separates diskretes Zeitsignal entnommen wird. Bei gleichförmiger Bewegung
des Schienenfahrzeugs 1 mit konstanter Geschwindigkeit sind die einzelnen Zeitbereiche,
bei denen das jeweilige Schienenfahrzeug 1 an einen bestimmten Ort Schwingungen, Druckänderungen
oder Vibrationen verursacht jeweils gleich lang. Die einzelnen derart ermittelten
diskreten Zeitsignale werden entsprechend der Trajektorie derart verschoben, dass
von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs 1 herrührende Signalwerte jeweils auf den
selben Zeitpunkt fallen. Im vorliegenden Fall werden sämtliche diskrete Zeitsignale
d
x(t) derart verschoben, dass sie mit dem diskreten Zeitsignal d
xA(t) zum Ortspunkt x
A gleich ausgerichtet werden. Anschließend werden die so verschobenen Zeitsignale zeitpunktweise
aggregiert und das so erhaltene Ergebnis als charakteristisches Signal C herangezogen.
[0032] Sofern bei der dargestellten Vorgehensweise Beschleunigungen und Verzögerungen des
Schienenfahrzeugs 1 vorliegen, verläuft die Trajektorie nicht linear, zB wie in Fig.
6a und 6b dargestellt. Die einzelnen Zeitsignale d
x(t) sind in diesem Fall unterschiedlich lang. Aus diesem Grund werden die einzelnen
Zeitsignale d
x(t) derart entzerrt, d.h. nichtlinear gestreckt oder gestaucht, dass ihre Länge einem
Referenzzeitsignal unter den Zeitsignalen entspricht und gleiche Positionen p bezogen
auf das Schienenfahrzeug 1 an derselben Stelle im verzerrten Zeitsignal zu liegen
kommen. Anschließend werden die Zeitsignale d
x(t) verschoben und wiederum zeitpunktweise aggregiert, sodass aus dieser Aggregation
ein charakteristisches Signal erhalten wird. Gegebenenfalls kann das charakteristische
Signal durch Umrechnung p = t*v
0 in ein auf das Schienenfahrzeug 1 bezogenes Signal umgerechnet werden, wobei v
0 die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bezeichnet.
[0033] Wie die Aggregation konkret vorgenommen wird, ist von untergeordneter Bedeutung.
Üblicherweise reicht eine bloße Summation der einzelnen verschobenen und gegebenenfalls
entzerrten Zeit- oder Ortssignale aus, um ein Signal zu ermitteln, das charakteristisch
für das jeweilige Schienenfahrzeug 1 ist.
[0034] Im Detail kann eine verschobene und entzerrte Funktion d
c aufgrund des diskreten Signals d(x, t) ermittelt werden, die nur von der Zeit und
von der Position p ∈ [0, P] bezogen auf das Schienenfahrzeug 1 abhängt. Als Betrachtungsintervall
entlang des Ortes wird das Ortsintervall [x
A, x
E] zwischen den Ortspunkten x
A und x
E festgelegt. Die Trajektorie des Anfangs des Schienenfahrzeugs 1 wird mit t
o(x) bezeichnet. Für jede Position p ∈[0, P] wird die zugehörige Trajektorie mit t
p(x) bezeichnet. Wie aus der Skizze ersichtlich wird gilt t
p(x) = t
0(x+p). Aus dem diskreten Signal d(x,t) wird ein verschobenes Signal d
c(x,p) = d(x,t
p(x)) für x ∈ [X
A, X
E] und p ∈ [0, P] ermittelt. Das charakteristische Signal für das gesamte Schienenfahrzeug
1 ergibt sich dann als C(p) = ∑
x∈[XA,
XE] d
c(x,p).
[0035] Kommt es aufgrund der Verzerrung oder Verschiebung dazu, dass aufgrund des Verlaufs
der Trajektorie x
0(t) Stützpunkte gewählt werden, die mit den diskreten Ort- und Zeit-Stützpunkten des
diskreten Zeitsignals nicht übereinstimmen, so kann eine Interpolation der Orts- und
Zeitkanäle vorgenommen werden, sodass letztendlich eine Verschiebung von Orts- und
Zeitsignalen um beliebige durch die Trajektorie x
0(t) festgelegte Werte möglich ist.
[0036] Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass sich die Fensterstützpunkte an diskreten
Äquidistanten oder in jeden Ortskanal gleich festgelegten Zeiten befinden und zur
Verschiebung entsprechend der Trajektorie x
0(t) die einzelnen Ortskanäle nur um ganzzahlige vielfache des Abstands dieser Zeiten
verschoben werden.
[0037] Nach der Ermittlung eines charakteristischen Signals C besteht nunmehr die Möglichkeit,
an mehreren Stellen entlang des Fahrtwegs 2 bzw. zu mehreren Zeitpunkten während der
Fahrt, gemäß einer der vorstehend genannten Vorgehensweisen, ein charakteristisches
Signal C zu ermitteln. Die einzelnen charakteristischen Signale C
1, C
2 werden miteinander verglichen, wobei ein Übereinstimmungswert ermittelt wird, der
angibt ob die beiden charakteristischen Signale C
1, C
2 auf eine Entgleisung hindeuten, beispielsweise dadurch, dass Abweichungen zwischen
der derart vom selben Schienenfahrzeug 1 erstellten Signalen bestehen.
[0038] Ein verbessertes Vorgehen, eine Entgleisung festzustellen, wird im Folgenden unter
Bezugnahme auf
Fig. 8a und 8b dargestellt: Hierbei wird ein Maßwert für die Wahrscheinlichkeit einer Entgleisung
ermittelt, der dann eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Entgleisung indiziert, wenn
die beiden charakteristischen Signale C
1, C
2 an einzelnen Positionen große Abweichungen zeigen, im Übrigen jedoch übereinstimmen.
Dies kann insbesondere derart erreicht werden, wenn einzelne Werte des charakteristischen
Signals C miteinander verglichen werden, wobei eine Entgleisung festgestellt wird,
wenn bei diesem Vergleich einzelne Signalwerte einander zugeordneter Positionen im
wesentlichen gleich sind, an einigen wenigen Stellen jedoch wesentlich von einander
abweichen.
[0039] Wenn beim Vergleich zweier vom selben Schienenfahrzeug 1 vor und nach der Entgleisung
aufgenommener Signale einen Schwellenwert überschreitende Unterschiede lediglich in
einer einen oberen Schwellenwert unterschreitenden Stellen des charakteristischen
Signals vorhanden sind, kann von einer Entgleisung ausgegangen werden. Eine Entgleisung
kann zum Beispiel dann festgestellt werden, wenn beim Vergleich zweier vom selben
Schienenfahrzeug 1 vor und nach der Entgleisung aufgenommener charakteristischer Signale
Unterschiede von wenigstens 100 % in weniger als durch einen vorgegebenen oberen Schwellenwert
entsprechenden Stellen des charakteristischen Signals vorhanden sind. Dieser obere
Schwellenwert wird vorteilhafterweise auf einen Wert gesetzt, der der Anzahl von vorgegebenen
Ortspunkten M
1, ..., M
100 entspricht, die durchschnittlich auf 10 m bis 50 m des Fahrtwegs 2 angeordnet sind.
Bei einer Verteilung der Messpunkte M
1, ..., M
100 etwa in Abständen von 70 cm auf dem Fahrtweg, hat der Schwellenwert etwa den Wert
70.
[0040] In
Fig. 8a sind zwei charakteristische Signale C
1, C
2 von ein und demselben Schienenfahrzeug 1 dargestellt. Die Abweichung Δ der beiden
charakteristischen Signale ist in
Fig. 8a ebenfalls dargestellt. Wie aus
Fig. 8a zu erkennen, ist eine Entgleisung im charakteristischen Signal dadurch indiziert,
dass an einer einzigen Stelle eine große Abweichung zwischen den beiden charakteristischen
Signalen C
1, C
2 besteht. Im Übrigen sind die beiden charakteristischen Signale sehr ähnlich, sodass
die Abweichung zwischen diesen beiden Signalen relativ gering ist. Da im vorliegenden
Fall Unterschiede Δ der beiden charakteristischen Signale lediglich bei einer geringen
Anzahl von Stellen innerhalb des charakteristischen Signals bestehen, ist eine Entgleisung
wahrscheinlich.
[0041] Demgegenüber sind in
Fig. 8b zum Vergleich zwei charakteristische Signale dargestellt, die von unterschiedlichen
Schienenfahrzeugen 1 stammen. Bei diesen charakteristischen Signalen C
1, C
2 liegen Unterschiede zwischen den einzelnen Signalwerten an einer Vielzahl von Stellen
vor. Insgesamt sind diese Unterschiede relativ gleich verteilt, es wird keine Entgleisung
festgestellt.
[0042] Um eine verbesserte Entgleisungsdetektion zu erreichen, kann in beiden der in
Fig. 8a und 8b dargestellten Fälle vorgesehen sein, dass die charakteristischen Signale C vor ihrem
Vergleich normalisiert werden, d.h. dass das charakteristische Signal C bzw. die einzelnen
Signalwerte insgesamt mit einem Faktor multipliziert wird bzw. werden, dass die Summe
der Beträge oder der Signalanteile für beide charakteristischen Signale C
1, C
2 oder sonst eine auf C
1 und C
2 angewandte Norm gleich groß ist. Mit dieser Vorgehensweise können Störeffekte vermieden
werden, die dadurch entstehen, dass aufgrund unterschiedlicher Distanzen des Fahrtwegs
2 vom jeweiligen Ortspunkt M
1, ..., M
100 einzelne charakteristische Signale stärker oder schwächer aufgenommen werden.
1. Verfahren zur Detektion der Entgleisung eines Schienenfahrzeugs (1),
a) wobei entlang des Fahrtwegs (2) mittels eines langgestreckten akustischen Sensors
(3) Messwerte zur Charakterisierung von Vibrationen oder Druckänderungen an einer
Vielzahl von entlang des Fahrtwegs (2) angeordneten Ortspunkten (M1 ... M100) bestimmt werden,
b) wobei für eine Anzahl von Ortspunkten (M1 ... M100) entlang des Fahrtwegs (2) und für eine Anzahl von Zeitpunkten (t) jeweils ein Messwert
m(x, t) zur Charakterisierung der Vibration oder einer Druckänderung zur Verfügung
gestellt wird,
c) wobei eine Trajektorie (x0(t); t0(x)) des Schienenfahrzeugs (1) in Bezug auf die Wegpunkte in der Zeit ermittelt oder
vorgegeben wird, die Trajektorie (x0(t); t0(x)) den Ortspunkt (M1 ... M100) eines vorgegebenen Teils des Schienenfahrzeugs (1) zu jedem Zeitpunkt (t) innerhalb
eines Zeitbereichs (T) angibt,
d) wobei für Ortspunkte (M1 ... M100) jeweils separat
- im Bereich des Schienenfahrzeugs (1) bzw dessen Trajektorie (x0(t); t0(x)) im jeweiligen Ortspunkt (M1 ... M100) eine Anzahl von Zeitfenstern (U) vorgegeben wird,
- in jedem der Zeitfenster des Ortspunkts (M1 ... M100) separat jeweils die Signalenergie innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbands ermittelt
wird, und diese Signalenergie einem dem Zeitfenster (U) zugeordneten Zeitpunkt (t)
zugewiesen wird, sodass ein diskretes Signal (d(x, t)), das jedem Ortspunkt (M1 ... M100) für einzelne Zeitpunkte die zugehörigen Signalenergien zuordnet, zur Verfügung steht,
e) die einzelnen Werte des diskreten Signals (d(x, t)) entsprechend der Trajektorie
(x0(t); t0(x)) des Schienenfahrzeugs (1) derart einander zugeordnet werden, und gegebenenfalls
entzerrt und interpoliert, werden, dass die von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs
(1) ausgehenden Werte aus dem diskreten Signal (d(x, t)) einander zugeordnet werden,
f) wobei die einzelnen einander zugeordneten, insbesondere gegeneinander verschobenen
und gegebenenfalls entzerrten und interpolierten, Werte des diskreten Signals (d(x,
t)), gegebenenfalls gewichtet, über die Zeit und/oder über den Ort aggregiert, insbesondere
summiert, werden, und derart ein charakteristisches Signal (C) ermittelt wird, das
als charakteristisch für das Schienenfahrzeug (1) angesehen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
g) für dasselbe Schienenfahrzeug (1) an mehreren Stellen entlang des Fahrtwegs (2)
gemäß den Schritten a) bis f) jeweils ein charakteristisches Signal (C) ermittelt
wird,
h) dass die charakteristischen Signale (C) miteinander verglichen werden, wobei ein
Übereinstimmungswert ermittelt wird, der angibt, wie gut die beiden charakteristischen
Signale (C) miteinander übereinstimmen, und
i) dass für den Fall, dass die durch den Übereinstimmungswert indizierte Übereinstimmung
einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, eine Entgleisung festgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des charakteristischen Signals (C)
- aus dem diskreten Signal (d(x, t)) für jeden Zeitpunkt jeweils ein separates diskretes
Ortssignal (dt(x)) entnommen wird,
- die einzelnen diskreten Ortssignale (dt(x)) entsprechend der Trajektorie (x0(t)) derart verschoben werden, dass von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs (1)
herrührende Signalanteile jeweils auf derselben Ortsposition (x) zu liegen kommen,
und
- die derart verschobenen Ortssignale dt(x) ortspunktweise aggregiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des charakteristischen Signals (C)
- aus dem diskreten Signal d(x, t) für jeden Ortspunkt (M1 ... M100) jeweils ein separates diskretes Zeitsignal dx(t) entnommen wird,
- die einzelnen diskreten Zeitsignale dx(t) entsprechend der Trajektorie derart verschoben und gegebenenfalls entzerrt werden,
dass von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs (1) herrührende Signalanteile jeweils
auf denselben Zeitpunkt (t) fallen,
- die derart verschobenen Zeitsignale dx(t) zeitpunktweise aggregiert werden und das so erhaltene Ergebnis als charakteristisches
Signal herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zeitsignale vor der Aggregation bei Vorliegen von Beschleunigungen
und Verzögerungen des Schienenfahrzeugs (1) in der Trajektorie (x0(t); t0(x)) entzerrt werden, sodass dass von gleichen Teilen des Schienenfahrzeugs (1) herrührende
Signalanteile jeweils auf denselben Zeitpunkt (t) fallen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Signale entsprechend der Trajektorie (x
0(t); t
0(x)) des Schienenfahrzeugs (1) derart gegeneinander verschoben werden, dass
a) sich die Fensterstützpunkte an diskreten äquidistanten und in jedem Ortskanal gleich
festgelegten Zeiten befinden, und zur Verschiebung entsprechend der Trajektorie (x0(t); t0(x)) die diskreten Zeitsignale dx(t) nur um ganzzahlige Vielfache des Abstands dieser Zeiten verschoben werden, oder
b) die einzelnen Ortskanäle (M1 ... M100) interpoliert und anschließend verschoben werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen und Druckänderungen mittels eines Glasfaserkabels (3) ermittelt werden,
wobei das Glasfaserkabel (3) entlang des Fahrtwegs (2) liegt und von den vom Fahrtweg
ausgehenden Erschütterungen betroffen ist,
- wobei zu vorgegebenen Zeitpunkten, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 100
Hz und 10 kHz,
- jeweils ein Lichtimpuls in das Glasfaserkabel (3) abgegeben wird,
- das aus dem Glasfaserkabel (3) zurückkehrende Licht gemessen wird, wobei entsprechend
der zeitlichen Verzögerung des zurückkehrenden Lichts das Signal einem Ortspunkt (M1 ... M100) entlang des Fahrtwegs (2) zugeordnet wird, und
- wobei die Stärke oder Phase des zurückkehrenden Lichts als Messwert zur Charakterisierung
von Vibrationen oder Druckänderungen im betreffenden Ortspunkt (M1 ... M100) herangezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Ermittlung der Trajektorie (x0(t)) des Anfangs des Schienenfahrzeugs (1) am Fahrtweg (2) für eine Anzahl von Ortskanälen
jeweils die Signalenergien in einer Mehrzahl von Zeitpunkten innerhalb eines bestimmte
Zeitbereichs innerhalb eines bestimmten Frequenzbands oder mehrerer bestimmter Frequenzbänder
ermittelt werden
und dass die Trajektorie innerhalb eines Zeitbereichs und eines Ortskanals liegend
festgestellt wird, wenn die ermittelte Signalenergie oder die ermittelten Signalenergien
vorgegebenen Kriterien entsprechen, insbesondere, dass die ermittelte Signalenergie
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
wobei insbesondere die Trajektorie x0(t) des Anfangs oder des Endes des Schienenfahrzeugs ermittelt wird, indem für jeden
Ortskanal der jeweils früheste oder späteste Zeitpunkt ermittelt wird, in dem die
Signalenergie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bestimmung der Signalenergie innerhalb eines Fensters die Messwerte innerhalb
dieses Fensters einzeln mit vorgegebenen Gewichtswerten gewichtet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maßwert für die Wahrscheinlichkeit einer Entgleisung ermittelt wird, der eine
hohe Wahrscheinlichkeit für eine Entgleisung indiziert, wenn die beiden charakteristischen
Signale an einzelnen Positionen eine große Abweichung zeigen, im Übrigen jedoch übereinstimmen,
wobei eine Entgleisung insbesondere dann festgestellt wird, wenn beim Vergleich zweier
vom selben Schienenfahrzeug (1) vor und nach der Entgleisung aufgenommener Signale
einen Schwellenwert überschreitende Unterschiede lediglich in einer einen oberen Schwellenwert
unterschreitenden Stellen des charakteristischen Signals (C) vorhanden sind.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung eines charakteristischen Signals jeweils Messwerte m(x, t) herangezogen
werden, die innerhalb eines Zeitbereichs von weniger als 20 Sekunden, insbesondere
von weniger als 2 Sekunden aufgenommen wurden.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass charakteristische Signale zur Detektion von Entgleisungen laufend, insbesondere in
Zeitintervallen von zwischen 0,5 und 10 Sekunden erstellt werden, und/oder
- dass zur Detektion von Entgleisungen Vergleiche zwischen charakteristischen Signalen vorgenommen
werden, die innerhalb von weniger als 10 Sekunden erstellt wurden.