VERFAHREN UND SYSTEM ZUR DETEKTION EINER ENTGLEISUNG MINDESTENS EINER ACHSE EINES SCHIENENFAHRZEUGS

Abstract

 Erfindungsgemäss sind ein System und Verfahren zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse (4) eines Schienenfahrzeugs vorgesehen, umfassend:
a) Ausrüsten einer Anzahl von Gleistrageelementen (10), wie z.B. eine Holzschwelle, eine Betonschwelle, eine Hohlschwelle, ein Betonblock, mit einem Beschleunigungssensor (16) und einer mit dem Beschleunigungssensor (16) assoziierten Logikeinheit (18) ;
b) Messen von Beschleunigungswerten und/oder eines Verlaufs von Beschleunigungswerten mit dem Beschleunigungssensor (16);
c) Auswerten der gemessenen Beschleunigungswerte und/oder des gemessenen Verlaufs der Beschleunigungswerte durch Vergleich mit mindestens einem vorbestimmten Grenzwert für die Beschleunigungswerte und/oder mindestens einem vorbestimmten Grenzverlauf der Beschleunigungswerte; und
d) Aussenden einer Warnmeldung (24) an eine den Schienenverkehr steuernde Instanz (26), wie z.B. ein Stellwerk und/oder ein Leitsystem, im Falle einer Überschreitung des mindestens eine vorbestimmten Grenzwerts und/oder des mindestens einen Grenzverlaufs.
Auf diese Weise wird nun der Fokus bei der Entgleisungsdetektion vom Schienenfahrzeug hin zur Eisenbahninfrastruktur verschoben. Dank der Ausrüstung der Gleistrageelementen (Fahrbahnelemente) mit den Beschleunigungssensoren können Züge auf dem Netz eines Infrastrukturbetreibers flächendeckend überwacht werden. Dabei ist diese Überwachung nun vollkommen unabhängig vom Wagentyp, der Eisenverkehrsunternehmung, die das Fahrzeug besitzt, und sonstigen Fahrzeugausrüstungsbezogenen Parametern.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und System zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse eines Schienenfahrzeugs.

[0002] Entgleisungen verursachen bei Eisenbahnen oftmals sehr hohe Sachschäden an der Eisenbahninfrastruktur, wie zum Beispiel den Schienen, den Schwellen, der Zugbeeinflussungstechnik und dergleichen, und stellen darüberhinaus ein grosses Sicherheitsrisiko dar. Besonders bei langen, schweren Zügen (Güterzüge) ist eine Entgleisung für einen Lokführer oftmals nicht erkennbar. In einem solchen Fall werden entgleiste Fahrzeuge über einen langen Weg mitgezogen, auf dem sie in der Regel die Infrastrukturanlagen in hohem Masse beschädigen.

[0003] Durch eine frühzeitige Erkennung einer Entgleisung könnten der betroffene Zug gestoppt und die Sachschäden drastisch reduziert werden. Da entgleiste Bahnfahrzeuge auch ein hohes Sicherheitsrisiko darstellen, die zu schweren Eisenbahnunfällen beispielsweise infolge einer Verletzung des Lichtraumprofils führen können, trägt eine frühzeitige Erkennung einer Entgleisung auch erheblich zur Sicherheit von Mensch und Umwelt bei.

[0004] Bereits gelöst wird dieses Problem bei Fahrzeugen, die ausschliesslich Gefahrstoffe transportieren oder die im Hochgeschwindigkeitspersonenverkehr im Rahmen von festen Zugkompositionen (z.B. ICE, TGV und dergleichen) eingesetzt werden. Hier werden entsprechende mechanische Detektoren auf der Achse und/oder am Drehgestell eingesetzt. Bei der Detektion der Entgleisung lösen diese Detektoren eine Zwangsbremsung aus, die durch eine Absenkung des Druckes in der Bremsleitung herbeigeführt wird. Leider führt dies bei langen Zügen dazu, dass nur ein Teil der Wagen bremst und damit die Entgleisung möglicherweise für den Lokführer nicht erkennbar ist. Mit Erreichung einer erhöhten Güte derartiger Detektionssysteme steigen aber auch die Kosten für deren Installation und Unterhalt.

[0005] Weiter bestehen bereits Ansätze, Entgleisungen elektronisch aufzudecken, indem Längsbewegungen im Zug gemessen werden, welche für Entgleisungen typisch sind. Auch dieser Ansatz weist zwei erhebliche Nachteile auf, weil einerseits eine Nachrüstung eines Zuges, besonders im grenzüberschreitenden Güterverkehr, aufwendig ist. Andererseits treten gerade in Güterzügen Längsbewegungen auch auf, wenn die Schraubenkupplungen nur locker angezogen sind. Dieser Nachteil wiegt besonders im Güterverkehr schwer, weil die einzelnen Wagen häufig gekoppelt und entkoppelt werden.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse eines Schienenfahrzeugs anzugeben, welche sich durch einen vergleichsweise geringen Aufwand an zu installierenden Komponenten auszeichnet und zudem Entgleisungen zuverlässig und sehr zeitnah detektiert.

[0007] Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse eines Schienenfahrzeugs gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Ausrüsten einer Anzahl von Gleistrageelementen, wie z.B. eine Holzschwelle, eine Betonschwelle, eine Hohlschwelle, ein Betonblock, mit einem Beschleunigungssensor und einer mit dem Beschleunigungssensor assoziierten Logikeinheit;

b) Messen von Beschleunigungswerten und/oder eines Verlaufs von Beschleunigungswerten mit dem Beschleunigungssensor;

c) Auswerten der gemessenen Beschleunigungswerte und/oder des gemessenen Verlaufs der Beschleunigungswerte durch Vergleich mit mindestens einem vorbestimmten Grenzwert für die Beschleunigungswerte und/oder mindestens einem vorbestimmten Grenzverlauf der Beschleunigungswerte; und

d) Aussenden einer Warnmeldung an eine den Schienenverkehr steuernde Instanz, wie z.B. ein Stellwerk und/oder ein Leitsystem, im Falle einer Überschreitung des mindestens einen vorbestimmten Grenzwerts und/oder des mindestens vorbestimmten Grenzverlaufs.

[0008] Bezüglich des Systems wird diese Aufgabe erfindungsgemäss durch ein System zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse eines Schienenfahrzeugs gelöst, umfassend:

a) eine Anzahl von Gleistrageelemente, wie z.B. eine Holzschwelle, eine Betonschwelle, eine Hohlschwelle, ein Betonblock, die mit einem Beschleunigungssensor und einer mit dem Beschleunigungssensor assoziierten Logikeinheit ausgerüstet sind und zur Messung von Beschleunigungswerten und/oder eines Verlaufs von Beschleunigungswerten mit dem Beschleunigungssensor ertüchtigt sind;

b) die Logikeinheit zum Auswerten der gemessenen Beschleunigungswerte und/oder des gemessenen Verlaufs der Beschleunigungswerte durch Vergleich mit mindestens einem vorbestimmten Grenzwert für die Beschleunigungswerte und/oder mindestens einem vorbestimmten Grenzverlauf der Beschleunigungswerte; und

c) ein mit der Logikeinheit assoziiertes Funkmodul, das eine Warnmeldung an eine den Schienenverkehr steuernde Instanz, wie z.B. ein Stellwerk und/oder ein Leitsystem, im Falle einer Überschreitung des mindestens eine vorbestimmten Grenzwerts und/oder des mindestens einen Grenzverlaufs aussendet.

[0009] Auf diese Weise wird nun der Fokus bei der Entgleisungsdetektion vom Schienenfahrzeug hin zur Eisenbahninfrastruktur verschoben. Dank der Ausrüstung der Gleistrageelementen (Fahrbahnelemente) mit den Beschleunigungssensoren können Züge auf dem Netz eines Infrastrukturbetreibers flächendeckend überwacht werden. Dabei ist diese Überwachung nun vollkommen unabhängig vom Wagentyp, der Eisenverkehrsunternehmung, die das Fahrzeug besitzt, und sonstigen Fahrzeugausrüstungsbezogenen Parametern.

[0010] Bekanntermassen führt das Gewicht einer Zugachse zu einer Kompression der Gleisbettung, welche auf das mit der Schiene fest verbundene Gleistrageelement übertragen wird. Diese Kompression wird in Fachkreisen auch als das Pumpen des Gleises bezeichnet und zeichnet sich durch einen relativ stetigen zunächst zu einem Maximum asymptotisch ansteigenden und danach vom Maximum asymptotisch abfallenden Verlauf aus, der in einem Frequenzspektrum eher tiefere Frequenzen ausbildet. Mit dieser Erkenntnis ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sinnvoll, wenn der vorbestimmte Grenzverlauf aus einem Verlauf der Gleisabsenkung bei Überfahrt eines mit einem Beschleunigungssensor ausgerüsteten Gleistrageelements durch ein Rad eines Schienenfahrzeugs abgeleitet wird. Da bei einer Entgleisung diese angesprochene Pumpbewegung infolge der nicht mehr auf den Schienen laufenden Achse deutlich abgeschwächt auftritt, tritt neu ein eher impulsartiger (Dirac-stossartiger) Beschleunigungsverlauf durch das schlagartige Auftreffen des entgleisten Rades auf dem Gleistrageelement hinzu, was sich dann ganz klar im Frequenzspektrum in dem Auftreten von eher höheren Frequenzkomponenten zeigt. Ein derartiger Verlauf ist daher vergleichsweise einfach bei dem Vergleich mit dem Sollverlauf der Beschleunigungswerte aufspürbar. Eine geeignete Analysenmethode zur Anstellung dieses Vergleichs ist beispielsweise die Anwendung einer FFT (Fast-Fourier-Transformation) auf den zeitlichen Verlauf der Beschleunigungswerte.

[0011] Typischerweise kann der Abstand von zwei mit einem Beschleunigungssensor ausgerüsteten Gleistrageelementen zwischen 10 und 5000 Metern betragen.

[0012] Aufgrund des erhaltenen Warnsignals, das eine Identifizierung des das Warnsignal absetzenden Logikeinheit erlaubt, ist es bei Auftreten des Warnsignals sinnvoll, wenn die den Schienenverkehr steuernde Instanz das Schienenfahrzeug bzw. den Zugverband nach Erhalt der Warnmeldung identifiziert und Massnahmen zum Anhalten des Schienenfahrzeugs bzw. des Zugverbands einleitet. Die Identifikation des Zuges kann beispielsweise anhand den Echtzeitdaten eines Zugleitsystems erfolgen, bei dem der Ort der Absetzung des Warnsignals mit dem Zug gleichgesetzt wird, der sich in dem diesen Ort umfassenden Gleisblock befindet und diesen somit belegt. Das Kommando zum Anhalten kann dann entweder über ein Stellwerk und ein Radio Block Center direkt in den Führerstand gefunkt werden und fordert den Zugführer zur sofortigen Vornahme einer Schnellbremsung auf. Alternativ könnte auch ein direktes Anfunken des Zugführers aus der Leitstelle heraus oder das sofortige Auflösen der Movement Authority vorgesehen sein. Auch könnte seitens des Stellwerks das nächstkommende Signal zur Anzeige eines HALT-Signalbegriff angesteuert werden.

[0013] In einer zweckmässigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Logikeinheit Mittel zur Energiegewinnung und/oder Energiespeicherung umfassen. Besonders Photovoltaik-Elemente und zugehörige Energiespeicher können so die Energieversorgung der Logikeinheit und des Beschleunigungssensors gewährleisten. Einen Beitrag zur Energieversorgung kann auch das am Zugkopf abgestrahlte Telepowering-Signal leisten, das beispielsweise bei ETCS-Balisen die zur Aussendung der ETCS-Telegramme erforderliche Energie induktionsweise in die Balise einspeist.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

[0015] Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die anhängende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1

schematisch ein System zur Detektion von Entgleisungen im schienengebundenen Verkehr; und

Figur 2

schematisch zwei qualitativ typische Verläufe von Beschleunigungswerten bei korrekter Zugüberfahrt und Zugüberfahrt mit entgleister Achse.

[0016] Figur 1 zeigt schematisch ein System 2 zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse 4 (Räder 4a und 4b) eines hier nicht weiter dargestellten Schienenfahrzeugs. Das Schienenfahrzeug bewegt sich entlang von zwei Schienen 6, 8 fort. Die Schienen 6, 8 sind auf einem Schwellenkörper 10, der auf einem Schotterbett 12 ruht, befestigt. Auf dem Schwellenkörper 10 (oder anderen angebauten Teilen) ist eine Beschleunigungsmesseinheit 14 befestigt, die einen Beschleunigungssensor 16 und eine Logikeinheit 18 umfasst. Zur Versorgung der Beschleunigungsmesseinheit 14 ist ein Energiespeicher 20 vorgesehen, der von einem in Gleisnähe montierten Photovoltaikpanel 22 gespeist wird.

[0017] Dank der Beschleunigungsmesseinheit 14 können die bei der Vorbeifahrt des Schienenfahrzeugs entstehenden mechanischen Schwingungen gemessen und ausgewertet werden. Dieser Messung liegt der Zusammenhang zugrunde, dass eine Bewegung des Schienenfahrzeugs auf den Schienen 6, 8 zu einer Kompression des Schotterbetts 12 führt. Der Beschleunigungssensor 16 erfährt dabei eine Beschleunigung in Richtung der Vertikalen, was der entsprechenden Pumpbewegung des Gleises entspricht. Aufgrund der Annäherung des Schienenfahrzeugs an den Beschleunigungssensor 16 und der Federwirkung des Schotterbettes 12 bildet sich der Verlauf der Beschleunigungswerte kontinuierlich und in Form einer Kurve der Art a(t) = 1 - A₀e^-xt aus, wie dies in Figur 2 für den Verlauf (a) gezeigt ist. Bei einer Frequenzanalyse dieses Zeitsignals ergibt sich eine Frequenzspektrum, das durch eher tiefe Frequenzen gekennzeichnet ist.

[0018] Entgleist aber nun das Schienenfahrzeug resp. die in Figur 1 gezeigte Achse 4, laufen die Räder 4a, 4b nicht mehr auf den Schienen 6, 8, sondern die Räder 4a, 4b bewegen sich auf den Schwellenkörpern 10 fort (sie werden sozusagen vom Zug mitgeschleift). Dadurch findet eine schlagartige Beschleunigung des Schwellenkörpers 10 statt, wenn die Achse 4 resp. deren Räder 4a, 4b auf den Schwellenkörper 10 auftrift. Diese Schläge führen dazu, dass der Beschleunigungssensor ebenfalls eine schlagartige Beschleunigung erfährt, wodurch der Verlauf der Beschleunigungswerte einen Dirac-Stoss-artigen Charakter annimmt, was durch den Verlauf (b) in der Figur 2 repräsentiert sein soll. Bei Einhaltung des Abtasttheorems wird das Frequenzspektrum dieses zeitlichen Verlauf nach einer Frequenzanalyse um hochfrequente Anteile bereichert sein, welche ganz klar bei dem Vergleich mit dem Sollverlauf gemäss Verlauf (a) detektiert werden können und so eine Entgleisung feststellen lassen. Weiter könnte auch der reine Wert der Beschleunigung mit dem bestimmbaren Grenzwert a_max im Sollverlauf (a) verglichen werden. Diese Vergleiche sowie die zugehörige Transformation in den Frequenzbereich werden von der Logikeinheit 18 ausgeführt.

[0019] Wird nun eine sich derartig manifestierende Entgleisung detektiert, sendet die Beschleunigungsmesseinheit 14 drahtlos eine Warnmeldung 24, die auch eine Sensorkennung zur Ortung der Beschleunigungsmesseinheit 14 umfasst, an ein Leitsystem 26 aus. Diese Warnmeldung wird von dem Leitsystem 26 mit der Zugnummer der Fahrt verbunden, womit der betroffene Zug identifiziert werden kann. Das Leitsystem 26 nimmt dann beispielsweise einen automatischen Eingriff in dessen weitere Fahrt vor und stoppt den Zug am nächsten Lichtsignal.

[0020] Die Spannungsversorgung erfolgt hier über das Photovoltaikpanel 22 oder ähnliches Energy Harvesting, wie zum Beispiel Aufnahme des von dem Zugkopf abgestrahlten Tele-Powering-Signal (sog. 27 MHz-Keule bei ETCS). Der Energieverbrauch der Beschleunigungsmesseinheit 14 ist vergleichsweise gering, weil nur in zwei Fällen überhaupt kurze Meldungen übertragen werden müssen:

a) Warnmeldung 24 bei festgestellter Entgleisung; und

b) Lebenszeichen, z.B. einmal täglich.

[0021] Die Beschleunigungsmesseinheit 14 kann dabei in Form einer integrierten Schaltung realisiert werden und den Beschleunigungssensor 16, einen Mikroprozessor sowie ein Modul zur Kommunikation (z.B. für GSM, GSM-R oder ähnliches) umfassen. Die Messdaten des Beschleunigungssensors 16 werden von dem Mikroprozessor digitalisiert und beispielsweise mittels einer FFT in das Frequenzspektrum überführt. In dieser Form werden die Daten dann durch den Mikroprozessor analysiert und bei einer Verletzung von Grenzwerten (z.B. Sollverlauf a in Figur 2) die Warnmeldung 24 abgesetzt.

[0022] Auf diese Weise können Entgleisungen entsprechend der Granularität von mit Beschleunigungsmesseinheiten 14 ausgerüsteten Schwellenkörpern 10 bereits kurz nach ihrem Auftreten detektiert werden und der Zug durch einen aktiven Eingriff, der auch automatisch auslösbar ist, an dessen Weiterfahrt gestoppt werden. So können Beschädigungen an der Schieneninfrastruktur sowie natürlich schwere Eisenbahnunglücke infolge von Entgleisungen zumindest stark eingeschränkt werden ohne dass eine direkte Verbindung zum Schienenfahrzeug inkl. einer aufwändigen Sensorik zur fahrzeugseitigen Erkennung einer Entgleisung auf jedem Schienenfahrzeug notwendig wären.

[0023] Aus dem ermittelten Frequenzspektrum können auch weitere Informationen zur Fahrbahn (Bettungszustand) gewonnen werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse (4) eines Schienenfahrzeugs, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Ausrüsten einer Anzahl von Gleistrageelementen (10), wie z.B. eine Holzschwelle, eine Betonschwelle, eine Hohlschwelle, ein Betonblock, mit einem Beschleunigungssensor (16) und einer mit dem Beschleunigungssensor (16) assoziierten Logikeinheit (18) ;

b) Messen von Beschleunigungswerten und/oder eines Verlaufs von Beschleunigungswerten mit dem Beschleunigungssensor (16);

c) Auswerten der gemessenen Beschleunigungswerte und/oder des gemessenen Verlaufs der Beschleunigungswerte durch Vergleich mit mindestens einem vorbestimmten Grenzwert für die Beschleunigungswerte und/oder mindestens einem vorbestimmten Grenzverlauf der Beschleunigungswerte; und

d) Aussenden einer Warnmeldung (24) an eine den Schienenverkehr steuernde Instanz (26), wie z.B. ein Stellwerk und/oder ein Leitsystem, im Falle einer Überschreitung des mindestens eine vorbestimmten Grenzwerts und/oder des mindestens einen Grenzverlaufs.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennezeichnet, dass
der vorbestimmte Grenzverlauf aus einem Verlauf der Gleisabsenkung bei Überfahrt eines mit einem Beschleunigungssensor (16) ausgerüsteten Gleistrageelements (10) durch ein Rad (4a, 4b) eines Schienenfahrzeugs abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennezeichnet, dass
der Abstand von zwei mit einem Beschleunigungssensor (16) ausgerüsteten Gleistrageelementen (10) zwischen 10 und 5000 Meter beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die den Schienenverkehr steuernde Instanz (26) ein Schienenfahrzeug bzw. einen Zugverband nach Erhalt der Warnmeldung identifiziert und Massnahmen zum Anhalten des Schienenfahrzeugs bzw. des Zugverbands einleitet.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gemessene Verlauf der Beschleunigungswerte einer Transformation in den Frequenzraum, beispielsweise einer Fast-Fourier-Transformation, unterzogen wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Logikeinheit (18) Mittel zur Energiegewinnung (22) und/oder Energiespeicherung (20) umfasst.

7. System zur Detektion einer Entgleisung mindestens einer Achse (4) eines Schienenfahrzeugs, umfassend:

a) eine Anzahl von Gleistrageelemente (10), wie z.B. eine Holzschwelle, eine Betonschwelle, eine Hohlschwelle, ein Betonblock, die mit einem Beschleunigungssensor (16) und einer mit dem Beschleunigungssensor (16) assoziierten Logikeinheit (18) zur Messung von Beschleunigungswerten und/oder eines Verlaufs von Beschleunigungswerten mit dem Beschleunigungssensor (16) ausgerüstet sind;

b) die Logikeinheit (18) zum Auswerten der gemessenen Beschleunigungswerte und/oder des gemessenen Verlaufs der Beschleunigungswerte durch Vergleich mit mindestens einem vorbestimmten Grenzwert für die Beschleunigungswerte und/oder mindestens einem vorbestimmten Grenzverlauf der Beschleunigungswerte; und

c) ein mit der Logikeinheit (18) assoziiertes Funkmodul, das eine Warnmeldung (24) an eine den Schienenverkehr steuernde Instanz (26), wie z.B. ein Stellwerk und/oder ein Leitsystem, im Falle einer Überschreitung des mindestens eine vorbestimmten Grenzwerts und/oder des mindestens einen Grenzverlaufs aussendet.

8. System nach Anspruch 7,
dadurch gekennezeichnet, dass
der vorbestimmte Grenzverlauf aus einem Verlauf der Gleisabsenkung bei Überfahrt eines mit einem Beschleunigungssensor (16) ausgerüsteten Gleistrageelements (10) durch ein Rad (4a, 4b) eines Schienenfahrzeugs abgeleitet ist.

9. System nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennezeichnet, dass
der Abstand von zwei mit einem Beschleunigungssensor (16) ausgerüsteten Gleistrageelementen (10) zwischen 10 bis 5000 Meter beträgt.

10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die den Schienenverkehr steuernde Instanz (26) ein Schienenfahrzeug bzw. einen Zugverband nach Erhalt der Warnmeldung (24) identifiziert und Massnahmen zum Anhalten des Schienenfahrzeugs bzw. des Zugverbands einleitet.

11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der gemessene Verlauf der Beschleunigungswerte beispielsweise einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen wird.

12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Logikeinheit (18) Mittel zur Energiegewinnung (22) und/oder Energiespeicherung (20) umfasst.

Zeichnung