[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zählen von Achsen, bei dem ein an einem
Gleis montierter Achszählsensor von einem Rad passiert wird, der Achszählsensor ein
Messsignal erzeugt, der Verlauf des Messsignals rechnergestützt ausgewertet wird,
wobei das Rad identifiziert wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt
sowie eine Bereitstellungsvorrichtung für dieses Computerprogrammprodukt, wobei das
Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung dieses Verfahrens ausgestattet
ist.
[0002] Bei der Achszählung durch Achszähler treten bekanntlich Störungen unterschiedlichster
Natur auf, vom einfachen Rauschen oder Umwelteinflüssen bis hin zu herabhängenden
Kabeln an Zügen oder sogenannten Spießgangeffekten bei Drehgestellen in engen Kurven.
Daher besteht der Wunsch, insbesondere Störungen zu erkennen, die ähnlich zu Signalen
von Rädern oder Drehgestellen sind, um die Radsignale zuverlässig erkennen zu können
und insbesondere auch vorsätzliche Störungsversuche aufzudecken. Außerdem sind Bahn
Infrastrukturen auch schlecht gegen böswillige Manipulationen zu schützen. So könnte
ein Achszähler zum Beispiel durch Vorbeiführen von stählernen Gegenständen an der
Sensorik derart beeinflusst werden, dass zusätzliche Zählimpulse ausgelöst würden.
Insbesondere für derartige Störungen besteht ein großes Interesse, dass diese möglichst
frühzeitig erkannt werden.
[0003] Ein verwandtes Problem muss beispielsweise bei der rechnergestützten Erkennung von
Handschriften gelöst werden. Zur Erkennung von Handschriften beschreibt
Claus Bahlmann et al. in IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE,
VOL. 26, NO. 3, MARCH 2004 in dem Aufsatz "The Writer Independent Online Handwriting Recognition System frog
on hand and Cluster Generative Statistical Dynamic Time Warping" ein geeignetes Verfahren.
Hier gilt es, Buchstaben trotz der sich aus unterschiedlichen Handschriften ergebenen
Unterschiede zu erkennen. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres auf Achszähler zu übertragen,
da bei Achszählern die Unterscheidung von Raddurchgängen anzeigenden Nutzsignalen
und Störsignalen vorgenommen werden muss. Diese Prinzip ist gemäß
EP 4124539 A1 auch schon bei der Mustererkennung von Achszählern angewendet worden.
[0004] Hierbei muss außerdem eine genügende Sicherheit erreicht werden. Es ist zu berücksichtigen,
dass die Störsignale ein Ausmaß annehmen können, dass diese als Raddurchgang fehlinterpretiert
werden. Hierfür soll ohne Beschränkung der Allgemeinheit folgendes Beispiel angegeben
werden.
[0005] Ein Drehgestell besteht messtechnisch gesehen beispielsweise aus zwei aufeinander
folgenden Rädern, also zwei Maxima der Signalamplitude des Messsignals mit einem gewissen
Plateau dazwischen, die ein wiedererkennbares Muster ergeben.
[0006] Die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Zählen von Achsen anzugeben, welches
eine vergleichsweise hohe Sicherheit gegen eine fälschliche Erkennung von Raddurchgängen
durch böswillige Manipulationsversuche (im Folgenden als Manipulationen bezeichnet)
aufweist. Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Computerprogrammprodukt
sowie eine Bereitstellungsvorrichtung für dieses Computerprogrammprodukt anzugeben,
mit dem das vorgenannte Verfahren durchgeführt werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Anspruchsgegenstand (Verfahren) bei
dem
- beim Auswerten des Messsignals (U1 ... U2) in dem Verlauf (VL1 ... VL2) des Messignals
(U1 ... U2) nach mindestens einer Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes
oder einem Maximum (M1 ... M4) der Amplitude des Messsignals (U1 ...U2) gesucht wird,
- der das Maximum enthaltende Verlauf (NV1 ... NV2) des Messsignals (U1 ... U2) mit
Mustern (M1 ... M2) mindestens eines Verlaufes (VL1 ... VL2) für das Messsignal (U1
... U2) bei Passieren eines Rades (RD) verglichen wird,
- in dem Fall einer gefundenen Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden
Verlaufes mit einem der Muster eine Achse gezählt wird,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Fall, dass keine ausreichende Übereinstimmung
zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf mit einem der Muster festgestellt wird,
eine Warnmeldung generiert wird.
[0008] Das Messsignal ist ein zeitlicher Verlauf der gemessenen Messgröße, vorzugsweise
der Signalspannung, die bedingt durch das Passieren des Rades einer Achse, jedoch
auch durch Störeinflüsse und evtl. Manipulationen jeweilige Maxima aufweist. Dies
bedeutet, dass durch die rechnergestützte Auswertung des Messsignals das zu erfassende
Ereignis erkannt werden kann, dass ein Rad den Achszählsensor passiert hat, jedoch
auch Störsignale und Manipulationen fälschlich als ein solcher Raddurchgang erkannt
werden können.
[0009] Das Maximum muss nichtnotwendigerweise das Startkriterium bei der Suche sein. Es
kann auch nach dem Überschreiten eines Schwellwerts bei einer Auswertung begonnen
werden. Dies ist aber nur eine Alternative bei stark gestörten Signalen.
[0010] Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das Verfahren zum
Zählen von Achsen sozusagen gegen das unbemerkte Auftreten von Manipulationsversuchen
gehärtet wird. Anders ausgedrückt erlangt das Achszählverfahren eine künstliche Intelligenz
(d. h. Verbesserung einer Mustererkennung insbesondere durch Machine Learning) dadurch,
dass zu erwartende Achszählergebnisse bekannt sind, wobei der Signalverlauf solcher
Ergebnisse mit den gemessenen Messsignalen verglichen werden kann. Wenn keine Übereinstimmung
eines vorliegenden Messergebnisses mit einem regulären, d. h. zulässige Achszählergebnisse
repräsentierenden Muster vorliegt, so liefert die dann generierte Warnmeldung hierauf
einen Hinweis.
[0011] Die Warnmeldung kann zu unterschiedlichen Maßnahmen führen. Ein Manipulationsversuch
an sich muss nicht zwangsläufig sofort ein Sicherheitsrisiko im Bahnbetrieb darstellen.
Wenn in der Nähe des Achszählers beispielsweise gerade keine Züge unterwegs sind,
so kann die Warnmeldung zu einer weiteren Überwachung des Betroffenen Achszählers
genutzt werden und es kann beispielsweise Wartungspersonal zum Achszähler entsandt
werden, um diesen zu überprüfen. Eventuell handelt es sich auch um einen technischen
Fehler, der behoben werden könnte.
[0012] Befinden sich Züge in der Nähe des Achszählers oder wiederholen sich die Vorfälle,
können aus der Warnmeldung auch weitergehende Konsequenzen abgeleitet werden (z. B.
im Sinne eines Security Monitoring) bis hin zu einem Aussetzen des Betriebes der Betroffenen
Strecke. Auch kann hinsichtlich des aufgetretenen Fehlers ein Mustervergleich dahingehend
erfolgen, dass die von den regulären Mustern, die oben genannt wurden, abweichenden
Messergebnisse untereinander verglichen werden, um festzustellen, ob diese einem Fehlermuster
sprechen. Dies kann sowohl an einer Fehlfunktion des Achszählers als auch an einer
bestimmten Art des Manipulationsversuches liegen (hierzu im Folgenden noch mehr).
[0013] Unter "rechnergestützt" oder "computerimplementiert" kann im Zusammenhang mit der
Erfindung eine Implementierung des Verfahrens verstanden werden, bei dem mindestens
ein Computer oder Prozessor mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt.
[0014] Der Ausdruck "Rechner" oder "Computer" deckt alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften
ab. Computer können beispielsweise Personal Computer, Server, Handheld-Computer, Mobilfunkgeräte
und andere Kommunikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten, Prozessoren
und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung sein, die vorzugsweise auch
zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sein können.
[0015] Unter einem "Prozessor" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise einen
Wandler einen Sensor zur Erzeugung von Messsignalen oder eine elektronische Schaltung,
verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor
(engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller,
oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit
zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Auch kann unter einem Prozessor
ein virtualisierter Prozessor oder eine Soft-CPU verstanden werden.
[0016] Unter einer "Speichereinheit" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise
ein computerlesbarer Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random-Access
Memory, RAM) oder Datenspeichers (Festplatte oder Datenträger) verstanden werden.
[0017] Als "Schnittstellen" können hardwaretechnisch, beispielsweise kabelgebunden oder
als Funkverbindung, und/oder softwaretechnisch, beispielweise als Interaktion zwischen
einzelnen Programmmodulen oder Programmteilen eines oder mehrerer Computerprogramme,
realisiert sein.
[0018] Als "Programmmodule" sollen einzelne Funktionseinheiten verstanden werden, die einen
erfindungsgemäßen Programmablauf von Verfahrensschritten ermöglichen. Diese Funktionseinheiten
können in einem einzigen Computerprogramm oder in mehreren miteinander kommunizierenden
Computerprogrammen verwirklicht sein. Die hierbei realisierten Schnittstellen können
softwaretechnisch innerhalb eines einzigen Prozessors umgesetzt sein oder hardwaretechnisch,
wenn mehrere Prozessoren zum Einsatz kommen.
[0019] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Auswerten des
Messsignals in dem Verlauf des Messignals nach mindestens einem Maximum der Signalamplitude
gesucht wird, die Amplitude des Messsignals bei einer Amplitudennormierung derart
normiert wird, dass das Maximum mit einem vorgegebenen Zielwert identisch ist, für
den Verlauf des Messsignals vor und hinter dem Maximum einer dynamische Zeitnormierung
durchgeführt wird, wobei der durch Amplitudennormierung und Zeitnormierung normierte
Verlauf des Messsignals mit Mustern sowohl mindestens eines Verlaufes für das Messsignal
bei Passieren eines Rades als auch mindestens eines Verlaufes für das Messsignal bei
Auftreten eines Fehlers verglichen wird.
[0020] Gemäß dieser Ausgestaltung wird auf das Messergebnis sowohl eine Amplitudennormierung
als auch eine dynamische Zeitnormierung, auch Dynamic Time Wraping (im Folgenden kurz
DTW) genannt, angewendet. Dies hat den Vorteil, dass das Messsignal sowohl hinsichtlich
der Amplitude seines Maximums als auch hinsichtlich der Länge seines zeitlichen Verlaufs
normiert wird. Dies erleichtert anschließend den Vergleich des auszuwertenden Verlaufes
des Messsignals mit vorgegebener Zeitdauer und vorgegebener maximaler Amplitude mit
Mustern verschiedener Verläufe (hierzu im Folgenden noch mehr). Damit wird die Zuverlässigkeit
einer Mustererkennung für Raddurchgänge verbessert und die Wahrscheinlichkeit des
Auftretens von falschen Auswertungsergebnisse insbesondere auch aufgrund von Manipulationen
minimiert.
[0021] Die Amplitudennormierung läuft derart ab, dass das Maximum des betrachteten Verlaufs
des Messsignals nach der Normierung mit einem vorgegebenen Zielwert identisch ist.
Vorzugsweise kann auf 1 normiert werden, d. h. dass der Zielwert gleich 1 ist. Dies
ist allerdings nicht unbedingt erforderlich. Von Bedeutung ist, dass der vorgegebene
Zielwert des Maximums mit den Maxima übereinstimmt, welche in den Mustern enthalten
sind, mit denen der betreffende Verlauf des Messsignals verglichen werden soll.
[0022] Das DTW wird durchgeführt, um in einem zeitlich begrenzten Ausschnitt des gesamten
Verlaufes des Messsignals, der sich vor und hinter dem Maximum erstreckt, zu identifizieren,
welcher zwecks Erkennung von Raddurchgängen oder auftretenden Fehlern mit Mustern
verglichen werden soll. Da ein Raddurchlauf einen Signalverlauf erzeugt, der bis zu
einem Maximum ansteigt und anschließend wieder abfällt, ist in den durch das DTW identifizierten
Verläufen jeweils ein Maximum enthalten.
[0023] Eine Zeitnormierung erfolgt zu dem Zweck, dass ein Vergleich des betreffenden Verlaufes
des Messsignals mit den Mustern durchgeführt werden kann. Hierbei ist insbesondere
zu berücksichtigen, dass der Verlauf des Messsignals insbesondere von der Geschwindigkeit
des den Achszählsensor passierenden Fahrzeugs abhängig ist. Eine höhere Geschwindigkeit
erzeugt einen steileren kürzeren Anstieg bis zum Maximum (und anschließenden einen
entsprechenden Abfall). Eine geringere Geschwindigkeit erzeugt im Vergleich hierzu
einen flacheren, längeren Anstieg bis zum Maximum (und anschließend einen entsprechenden
Abfall).
[0024] Bekannt ist das Prinzip von DTW zum Beispiel aus der Spracherkennung (das Erkennen
von Sprechmerkmalen beim Diktieren): Hier sollen durch den Vergleich mit gespeicherten
Sprachmustern einzelne Wörter aus einem gesprochenen Text erkannt werden. Ein Problem
besteht darin, dass die Wörter oft unterschiedlich ausgesprochen werden. Vor allem
Vokale werden oft länger oder kürzer gesprochen. Für einen erfolgreichen Mustervergleich
sollte das Wort also entsprechend gedehnt bzw. gestaucht werden, jedoch nicht gleichmäßig,
sondern vor allem an den Vokalen, die länger bzw. kürzer gesprochen wurden. Der Dynamic-time-warping-Algorithmus
leistet diese adaptive Zeitnormierung. Ein anderer Anwendungsfall ist die Erkennung
von Handschrift. Hier erfolgt eine Mustererkennung einzelner Buchstaben, wobei es
Ziel ist, die Buchstaben bei unterschiedlichen Handschriften zu erkennen.
[0025] Diese Ausgestaltung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass im Vergleich zu einer
Schrifterkennung oder Spracherkennung die Messsignale eines Achszählers eine vergleichsweise
geringe Komplexität aufweisen. Andererseits gibt es jedoch Fehler, die mit einem Raddurchlauf
verwechselt werden können und deshalb zu falschen Ergebnissen bei der Auswertung führen.
Diese müssen trotz der vergleichsweise geringen Komplexität der Muster zuverlässig
erkannt werden. Hier setzt die Erfindung an, indem Muster nicht nur für die zu erkennenden
Ereignisse eines Raddurchlaufs verschiedener Fahrzeuge definiert werden, sondern auch
für typischerweise auftretende Fehler, die dann als solche erkannt werden und nicht
mit einem Raddurchlauf verwechselt werden können.
[0026] Mit anderen Worten zielt diese Ausgestaltung darauf, nicht nur die Ereignisse zu
erkennen, deren Auftreten gewünscht ist und gezählt werden soll, sondern bewusst auch
die Ereignisse zu erkennen, die nicht auftreten sollen, demzufolge nicht gezählt werden
sollen, jedoch fälschlich als zu zählende Ereignis erkannt werden könnten. Werden
diese Ereignisse sicher als Fehler erkannt, so können diese als Zählereignis ausgeschlossen
werden, selbst wenn ihre Bewertung als zu zählendes Ereignis eines Raddurchlaufs unsicher
wäre. Hierin liegt der erfindungsgemäße Mehrwert einer Steigerung der Erkennungszuverlässigkeit.
[0027] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch Amplitudennormierung
und Zeitnormierung normierte Verlauf des Messsignals mit zumindest einem Muster eines
Verlaufes für das Messsignal bei Auftreten eines bei der Kurvenfahrt von Drehgestellen
auftretenden Spießgangs verglichen wird.
[0028] Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei einem Spießgang um eine messbare Signalüberhöhung
des Messsignals eines Achszählsensors, der ein Maximum zwischen den beiden Maxima
der Raddurchgänge eines Drehgestells erzeugt. Ein Spießgang tritt vorzugsweise auf,
wenn der Achszählsensor in einer Kurve verbaut wird und die Messung während der Kurvenfahrt
des Drehgestells stattfindet.
[0029] Werden mögliche Spießgangeffekte als Muster von auftretenden Fehlern definiert, so
kann bei Auftreten eines Spießgangs während der Messung durch einen Achszählsensor
inbesondere im Rahmen des DTW ein Verlauf erzeugt werden, welcher nach Vergleich mit
dem für den Spießgang vorliegenden Muster diesem Fehler zugeordnet werden kann. Wenn
diese Zuordnung eindeutig ist, kann der betreffende Verlauf des Messsignals von einer
Zuordnung des Ereignisses eines Raddurchgangs ausgeschlossen werden. Dies ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn eine Zuordnung zu einem Raddurchgang grenzwertig wäre und im
Zweifelsfalle fälschlich eine nicht vorhandene Achse gezählt werden würde.
[0030] Mit anderen Worten gibt es Fälle, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren mit einer
höheren Sicherheit bei dem Zählen von zu einem Drehgestell gehörenden Achsen verwendet
werden kann. Das Auftreten von falsch gezählten Achsen kann daher ausgeschlossen oder
die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses zumindest verringert werden. Damit
steigt aber auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Ermittlung von Abweichungen auf
einen Manipulationsversuch zurückzuführen ist und infolgedessen ein Warnsignal zu
erzeugen ist. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit einer Aufdeckung von Manipulationsversuchen
insbesondere im Personenverkehr, in dem fast ausschließlich Fahrzeuge mit Drehgestellen
und Doppelachsen zum Einsatz kommen, vorteilhaft erhöht werden. Gleichzeitig sinkt
die Wahrscheinlichkeit, dass das Auftreten anderer Fehler zu einem Warnsignal führt,
welches beispielsweise eine Betriebsunterbrechung auslösen würde.
[0031] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Achszähler verwendet
wird, der in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet einen ersten Achszählsensor und
einen zweiten Achszählsensor aufweist, wobei das Verfahren nacheinander für den ersten
Achszählsensor und den zweiten Achszählsensor durchlaufen wird.
[0032] Hierbei handelt es sich um sogenannte Doppelachszähler, deren Einsatz weit verbreitet
ist. Die beiden verbauten Achszählsensoren, also der erste Achszählsensor und der
zweite Achszählsensor erzeugen daher in kurzer Folge jeweils dieselben Maxima im zeitlichen
Verlauf des Messsignals, zumindest, wenn keine Störungen vorliegen. In diesem Fall
entsprechen die Maxima den gezählten Rädern. Ansonsten können ebenfalls Störsignale
erfasst werden, die zu Maxima führen.
[0033] Die Verwendung von zwei Achszählsensoren ändert am Funktionsprinzip des Achszählers
nichts. Der erste Achszählsensor und der zweite Achszählsensor funktionieren genauso,
wie der Achszählsensor eines Achszählers, in dem nur ein einziger Achszählsensor verbaut
ist. Die im Zusammenhang mit dieser Erfindung gemachten Aussagen treffen daher gleichermaßen
für den Achszählsensor oder den ersten Achszählsensor sowie den zweiten Achszählsensor
zu, wenn nicht anders beschrieben.
[0034] Die Verwendung eines ersten Achszählsensors und eines zweiten Achszählsensors hat
den Vorteil, dass der Achszähler eine höhere Sicherheit gegen Ausfall aufweist. Damit
sinkt, wie bereits beschrieben, die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler fälschlich als
Manipulationen gedeutet werden und nach ausgeben eines Warnsignals der Betrieb zum
Stillstand kommt.
[0035] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Maxima in dem durch
den ersten Achszählsensor erfassten ersten Verlauf und den durch den zweiten Achszählsensor
erfassten zweiten Verlauf verglichen werden und nur diejenigen Maxima in dem durch
Amplitudennormierung und Zeitnormierung normierten ersten Verlauf und zweiten Verlauf
des Messsignals mit Mustern verglichen werden, die sowohl im ersten Verlauf als auch
im zweiten Verlauf vorhanden sind.
[0036] Diese Ausgestaltung der Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass das Ereignis
eines Passierens eines Rades am Achszählsensor vorbei zuverlässig als Maximum in dem
Verlauf des Messsignals erkannt wird. Daher müssen diese Maxima auch in beiden gemessenen
Verläufen der Messsignale vorkommen. Kommt ein Maximum nur in einem der beiden Verläufe
der Messsignale vor, so ist der Rückschluss zulässig, dass es sich hierbei um ein
Störsignal handelt, welches an sich nicht gezählt werden soll. Hier ist auch die Wahrscheinlichkeit
gegeben, dass es sich um einen Manipulationsversuch handelt. Dieser kann vorteilhaft
zuverlässig ausgegeben werden, in dem ein Warnsignal generiert wird.
[0037] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Maxima in dem durch
den ersten Achszählsensor erfassten ersten Verlauf und dem durch den zweiten Achszählsensor
erfassten zweiten Verlauf verglichen werden und der Verlauf des Messsignals vor und
hinter einem Maximum, der bei der dynamische Zeitnormierung berücksichtigt werden
soll, unter Berücksichtigung eines Zeitversatzes zwischen einem vergleichbaren Maximum
des ersten Verlaufes und des zweiten Verlaufes bestimmt wird.
[0038] Werden in dem ersten Verlauf und dem zweiten Verlauf Maxima aufgefunden, die einander
entsprechen, kann der aus diesen bestimmbare Zeitversatz vorteilhaft genutzt werden,
um ein geschwindigkeitsabhängiges Maß für die zeitlichen Grenzen des bei der dynamischen
Zeitnormierung zu berücksichtigenden Verlaufes zu bekommen. Hierdurch wird vorteilhaft
sichergestellt, dass der Verlauf bei der dynamischen Zeitnormierung eine genügende
Spannweite hat, um die zu beurteilenden Charakteristika für einen späteren Vergleich
mit den Mustern zu enthalten. In der Konsequenz steigt die Zuverlässigkeit des Erkennungsverfahrens,
weswegen auch Manipulationsversuche mit einer höheren Sicherheit erkannt werden können.
Damit sinkt, wie bereits beschrieben, die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler fälschlich
als Manipulationen gedeutet werden und nach ausgeben eines Warnsignals der Betrieb
zum Stillstand kommt.
[0039] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch Amplitudennormierung
und Zeitnormierung normierte Verlauf des Messsignals mit Mustern sowohl mindestens
eines Verlaufes für das Messsignal bei Passieren eines einzelnen Rades als auch mindestens
eines Verlaufes für das Messsignal bei Passieren von zwei Rädern eines Drehgestells
verglichen wird.
[0040] Diese Ausgestaltung der Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Doppelachse
eines Drehgestells, also die beiden Räder, die den Achszählsensor in diesem Fall passieren,
ein charakteristisches Muster mit zwei Maxima ergeben. Werden diese beiden Maxima
als zum Drehgestell gehörig durch das DTW identifiziert, so kann eine Normierung mit
Bezug auf dieses Doppelereignis erfolgen. Anschließend kann dieses mit dem zugehörigen
Muster verglichen werden. Hierdurch wird eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit
erzielt. Gleichzeitig ist ein solches Doppelsignal durch eine böswillige Manipulation
schwieriger herzustellen, sodass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Manipulationsversuch
aufgedeckt wird, vorteilhaft steigt. Dies ist insbesondere im Personenverkehr von
besonderer Bedeutung, wo durch eine Manipulation Menschenleben gefährdet werden. Im
Personenverkehr sind allerdings fast ausschließlich Fahrzeuge mit Drehgestellen und
Doppelachsen im Einsatz, sodass hier ein Zugewinn an Sicherheit erlangt werden kann.
[0041] Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Vergleichen mit
Mustern eines Verlaufes für das Messsignal bei Passieren von zwei Rädern eines Drehgestells
nur dann durchgeführt wird, wenn der zeitliche Versatz der Maxima in dem Verlauf des
Messsignals einen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit eines den Achszählsensor passierenden
Fahrzeugs vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
[0042] Dieser Maßnahme liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei dem Passieren eines Drehgestells
der Achszählsensor in kurzer Zeitfolge hintereinander zwei Maxima aufzeichnet. Mit
anderen Worten kann ausgeschlossen werden, dass es sich um ein Drehgestell handelt,
wenn die Maxima nicht innerhalb eines geschwindigkeitsabhängigen, für Drehgestelle
charakteristischen Zeitintervalls gemessen werden. Dies bedeutet auch hinsichtlich
der Erkennung von Manipulationen einen zusätzlichen Sicherheitsgewinn. Gelingt es
bei der Manipulation nicht, dieses Kriterium zu erfüllen, so werden die Signale aus
dem Manipulationsversuch gar nicht erst als Drehgestell erkannt. Der nachgelagerte
Verfahrensschritt, dass aufgrund einer Fehlerkennung eine Warnmeldung ausgegeben werden
muss, tritt somit gar nicht ein, was vorteilhaft den Betrieb des Schienenverkehrs
mit weniger Störungen ermöglicht.
[0043] Um den Grenzwert vorgeben zu können, muss die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, welches
den Achszählsensor überquert, bekannt sein. Hierfür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
Die Geschwindigkeit kann beispielsweise mittels eines anderen Sensors ermittelt und
als Eingangsgröße in das Verfahren eingespeist werden. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit
im Fahrzeug gemessen werden und über Funk an einen Computer übertragen werden, der
die Berechnungen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt.
[0044] Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Geschwindigkeit aus dem Zusammenhang eines
Musters von Maxima (entsprechend den Achszählpulsen) zu schätzen. Drehgestelle werden
üblicherweise bei Fahrzeugen einer gewissen Länge verbaut, sodass Drehgestelle jeweils
nah beieinanderliegende Maxima erzeugen und dann eine längere Pause (Passieren der
Fahrzeugmitte) oder eine kürzere Pause (zwischen zwei gekoppelten Fahrzeugen) auftritt.
Aus dem Verhältnis der Pausen lässt sich die Geschwindigkeit abschätzen und somit
auch der geschwindigkeitsabhängige Grenzwert bestimmen.
[0045] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sogenannte Doppelachszähler zu verwenden,
bei denen zwei Achszählsensoren in kurzer Folge verbaut sind. Da der Abstand der Achszählsensoren
bekannt ist, kann durch eine Bestimmung des Zeitversatzes der durch dasselbe Rad in
den beiden Achszählsensoren erzeugten Maxima auf die Geschwindigkeit geschlossen werden
(hierzu im Folgenden noch mehr).
[0046] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
- Geschwindigkeit unter Berücksichtigung von zwei Achsen eines den Achszähler (AZL)
überquerenden Fahrzeugs oder von einer Achse des überquerenden Fahrzeugs, welche den
ersten Achszählsensor (AZ1) und den zweiten Achszählsensor (AZ2) des Achszählers (AZL)
überquert, berechnet wird,
- überprüft wird, ob die berechnete Geschwindigkeit in einem zulässigen Geschwindigkeitsintervall
liegt,
- die Warnmeldung auch generiert wird, wenn die Geschwindigkeit außerhalb des zulässigen
Geschwindigkeitsintervalls liegt.
[0047] Hierdurch ist vorteilhaft eine zusätzliche Plausibilisierung der Achszählsignale
möglich. Es ist nämlich sehr schwer, mehrere Signale nacheinander an einem Achszähler
oder unterschiedlichen Achszählern so zu generieren, dass die manipulierten Signale
einer Prüfung hinsichtlich der Geschwindigkeit des Zuges ebenfalls standhalten. Selbst,
wenn also die Einzelsignale täuschend ähnlich sind, kann aus unwahrscheinlichen berechneten
Geschwindigkeitswerten darauf geschlossen werden, dass ein Fehler oder Manipulationsversuch
vorliegt.
[0048] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
- aus der berechneten Geschwindigkeit von mehreren Achsen des Fahrzeugs die Beschleunigung
des Fahrzeugs berechnet wird,
- überprüft wird, ob die berechnete Beschleunigung in einem zulässigen Beschleunigungsintervall
liegt,
- die Warnmeldung auch generiert wird, wenn die Beschleunigung außerhalb des zulässigen
Beschleunigungsintervalls liegt.
[0049] Das für die Geschwindigkeit oben Angegebene gilt insbesondere auch für die Beschleunigung.
Werden mehrere Geschwindigkeiten des den Achszähler überquerenden Fahrzeuges gemessen,
so kann aus einer Entwicklung der Geschwindigkeit während des Durchlaufens des Messverfahrens
darauf geschlossen werden, ob der Zug beschleunigt, gebremst oder mit gleichbleibender
Geschwindigkeit betrieben wird. Hierbei sind einerseits bestimmte Beschleunigungswerte
aufgrund der Trägheit unwahrscheinlich. Zum anderen ist es aber auch unwahrscheinlich,
wenn die Beschleunigung zwar innerhalb des Intervalls liegt, jedoch schnelle Sprünge
in der zeitlichen Abfolge von Einzelmessungen festgestellt werden. Insbesondere wiederholte
Sprünge zwischen positiven Beschleunigungswerten und negativen Beschleunigungswerten,
welche eine Verzögerung beschreiben, lassen auf einen Fehler oder einen Manipulationsversuch
schließen.
[0050] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Fall,
dass keine Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf mit einem
der Muster festgestellt wird, ein das betreffende Messsignal repräsentierendes Fehlermuster
erzeugt und gespeichert wird.
[0051] Durch diese Maßnahme ist es vorteilhaft möglich, dass der Achszähler mögliche Fehler
und insbesondere auch Manipulationsversuche später wiedererkennt. Hierdurch kann (zukünftig)
bereits durch Auswerten des ungewöhnlichen Messsignals ebenfalls mittels eines Mustervergleichs
bestimmt werden, ob zusätzliche Informationen hinsichtlich der Art und Weise des Abweichens
vom zu erwartenden Ergebnis bereits vorliegen. Im Einzelnen kann dieser Abgleich wie
folgt vorgenommen werden.
[0052] Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Fall,
dass keine Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf mit einem
der Muster festgestellt wird,
- der das Maximum enthaltende Verlauf mit gespeicherten Fehlermustern verglichen wird,
- in dem Fall einer gefundenen Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden
Verlauf mit einem der Fehlermuster ein Übereinstimmungsmeldung generiert wird.
[0053] Die Übereinstimmungsmeldung kann im weiteren Verlauf des Verfahrens in Verbindung
mit dem betreffenden erkannten Fehlermuster verwendet werden, um vorteilhaft gezieltere
Maßnahmen einzuleiten. Beispielsweise kann, wenn zuverlässig ein Manipulationsversuch
aufgedeckt wurde, die Polizei oder Sicherheitspersonal eingeschaltet werden. Wenn
zuverlässig ein Fehler aufgedeckt wurde, kann eine Wartungsmaßnahme durchgeführt werden
oder Wartungspersonal zum betreffenden Achszähler entsandt werden.
[0054] Um den Betrieb des Achszählers zu verbessern und insbesondere auch Manipulationsversuche
immer zuverlässiger aufdecken zu können, kann vorteilhaft künstliche Intelligenz angewendet
werden, die ein maschinelles Lernen ermöglicht. Hierdurch wird die Mustererkennung
sukzessive verbessert, wobei gleichzeitig auch das Erkennen von regulären Mustern
(d. h. zulässige Achszählergebnisse beschreibende Muster) weiter verbessert werden
kann.
[0055] Hierbei ist zu berücksichtigen, dass anders als bei typischen Fehlern, wie beispielsweise
dem genannten Spießgang bei Doppelgestellen, eine Typisierung von Manipulationsversuchen
in Form von Fehlermustern im Voraus nicht möglich ist, da noch nicht bekannt ist,
mit welchen Mitteln böswillig die Manipulation erzeugt werden soll. Hier setzt die
Erfindung an, indem ein maschinelles Lernen angewendet wird, damit das Verfahren sich
sozusagen selbst aktualisieren kann und damit eine schnelle Anpassung an sich ändernde
Manipulationsstrategien möglich wird.
[0056] Unter künstlicher Intelligenz (im Folgenden auch mit KI abgekürzt), auch Artificial
Intelligence genannt, ist im Rahmen dieser Erfindung im engeren Sinne die Fähigkeit
eines rechnergestützten maschinellen Lernens, auch Machine Learning genannt, (im Folgenden
auch mit ML abgekürzt) zu verstehen. Es geht dabei um das statistische Lernen der
Parametrisierung von Algorithmen, vorzugsweise für sehr komplexe Anwendungsfälle.
Mittels ML erkennt und erlernt das System anhand von zuvor eingegebenen Lerndaten
Muster und Gesetzmäßigkeiten bei den erfassten Prozessdaten. Mithilfe geeigneter Algorithmen
können durch ML eigenständig Lösungen zu aufkommenden Problemstellungen gefunden werden.
ML gliedert sich in drei Felder - überwachtes Lernen, unüberwachtes Lernen und bestärkendes
Lernen (Reinforcement Learning), mit spezifischeren Anwendungen, zum Beispiel Regression
und Klassifikation, Strukturerkennung und -vorhersage, Datengenerierung (Sampling)
oder autonomes Handeln.
[0057] Beim überwachten Lernen wird das System durch den Zusammenhang von Eingabe und zugehöriger
Ausgabe bekannter Daten trainiert und erlernt auf diese Weise approximativ funktionale
Zusammenhänge. Dabei kommt es auf die Verfügbarkeit geeigneter und ausreichender Daten
an, denn wenn das System mit ungeeigneten (z.B. nicht-repräsentativen) Daten trainiert
wird, so lernt es fehlerhafte funktionale Zusammenhänge. Beim unüberwachten Lernen
wird das System ebenfalls mit Beispieldaten trainiert, jedoch nur mit Eingabedaten
und ohne Zusammenhang zu einer bekannten Ausgabe. Es lernt, wie Datengruppen zu bilden
und zu erweitern sind, was typisch für den betreffenden Anwendungsfall ist und wo
Abweichungen bzw. Anomalien auftreten. Dadurch lassen sich Anwendungsfälle beschreiben
und Fehlerzustände entdecken. Beim bestärkenden Lernen lernt das System durch Versuch
und Irrtum, indem es zu gegebenen Problemstellungen Lösungen vorschlägt und über eine
Feedbackfunktion eine positive oder negative Bewertung zu diesem Vorschlag erhält.
Je nach Belohnungsmechanismus erlernt das KI-System, entsprechende Funktionen auszuführen.
[0058] Das maschinelle Lernen kann beispielsweise durch künstliche neuronale Netze (im Folgenden
Artificial neural Network, kurz ANN genannt) durchgeführt werden. Künstliche neuronale
Netze basieren meist auf der Vernetzung vieler Neuronen, beispielsweise McCulloch-Pitts-Neuronen
oder leichter Abwandlungen davon. Grundsätzlich können auch andere künstliche Neuronen
Anwendung in ANN finden, z. B. das High-Order-Neuron. Die Topologie eines Netzes (die
Zuordnung von Verbindungen zu Knoten) muss abhängig von seiner Aufgabe bestimmt werden.
Nach der Konstruktion eines Netzes folgt die Trainingsphase, in der das Netz "lernt".
Dabei kann ein Netz beispielsweise durch folgende Methoden lernen:
Entwicklung neuer Verbindungen
Löschen existierender Verbindungen
Ändern der Gewichtung (der Gewichte von Neuron j zu Neuron i) Anpassen der Schwellenwerte
der Neuronen, sofern diese Schwellwerte besitzen
Hinzufügen oder Löschen von Neuronen
Modifikation von Aktivierungs-, Propagierungs- oder Ausgabefunktion
[0059] Außerdem verändert sich das Lernverhalten bei Veränderung der Aktivierungsfunktion
der Neuronen oder der Lernrate des Netzes. Praktisch gesehen lernt ein ANN hauptsächlich
durch Modifikation der Gewichte der Neuronen. Eine Anpassung des Schwellwertes kann
hierbei durch ein Neuron miterledigt werden. Dadurch sind ANN in der Lage, komplizierte
nichtlineare Funktionen über einen Lernalgorithmus, der durch iterative oder rekursive
Vorgehensweise aus vorhandenen Ein- und gewünschten Ausgangswerten alle Parameter
der Funktion zu bestimmen versucht, zu erlernen. ANN sind dabei eine Realisierung
des konnektionistischen Paradigmas, nach dem die Funktion aus vielen einfachen gleichartigen
Teilen besteht. Erst in ihrer Summe wird das Verhalten komplex.
[0060] Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung
des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder dessen Ausführungsbeispielen beansprucht,
wobei mittels des Computerprogrammprodukts jeweils das erfindungsgemäße Verfahren
und/oder dessen Ausführungsbeispiele durchführbar sind.
[0061] Darüber hinaus wird eine Bereitstellungsvorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen
des Computerprogrammprodukts beansprucht. Die Bereitstellungsvorrichtung ist beispielsweise
ein Speichereinheit, die das Computerprogrammprodukt speichert und/oder bereitstellt.
Alternativ und/oder zusätzlich ist die Bereitstellungsvorrichtung beispielsweise ein
Netzwerkdienst, ein Computersystem, ein Serversystem, insbesondere ein verteiltes,
beispielsweise cloudbasiertes Computersystem und/oder virtuelles Rechnersystem, welches
das Computerprogrammprodukt vorzugsweise in Form eines Datenstroms speichert und/oder
bereitstellt.
[0062] Die Bereitstellung erfolgt in Form eines Programmdatenblocks als Datei, insbesondere
als Downloaddatei, oder als Datenstrom, insbesondere als Downloaddatenstrom, des Computerprogrammprodukts.
Diese Bereitstellung kann beispielsweise aber auch als partieller Download erfolgen,
der aus mehreren Teilen besteht. Ein solches Computerprogrammprodukt wird beispielsweise
unter Verwendung der Bereitstellungsvorrichtung in ein System eingelesen, sodass das
erfindungsgemäße Verfahren auf einem Computer zur Ausführung gebracht wird.
[0063] Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen
versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen
den einzelnen Figuren ergeben.
[0064] Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen
Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende
Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander
weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination
als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen
Komponenten auch durch mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen der Erfindung kombinierbar.
[0065] Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsbemäßen Vorrichtung mit ihren Wirkzusammenhängen
schematisch mit einer Computer-Infrastruktur als Blockschaltbild, wobei die einzelnen
Funktionseinheiten Programmmodule enthalten, die jeweils in einem oder mehreren Prozessoren
ablaufen können und die Schnittstellen demgemäß softwaretechnisch oder hardwaretechnisch
ausgeführt sein können,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die einzelnen
Verfahrensschritte einzeln oder in Gruppen durch Programmmodule verwirklicht sein
können und wobei die Schnittstellen gemäß Figur 1 beispielhaft angedeutet sind.
[0066] In Figur 1 ist ein Fahrzeug FZ dargestellt, welches in einer Fahrtrichtung FR auf
einem Gleis GL unterwegs ist. Das Fahrzeug FZ weist Drehgestelle DG, die jeweils mit
zwei Achsen versehen sind. Diese werden in Figur 1 durch Räder RD angedeutet.
[0067] Sobald die Räder RD über einen Achszähler AZL, aufweisend einen ersten Achszählsensor
AZ1 und einen zweiten Achszählsensor AZ2, passiert, wird ein Impuls im Verlauf des
Messsignals U1, U2 (vgl. Figur 2) erzeugt (hierzu im Folgenden mehr).
[0068] Der Achszähler AZL ist mit einer Auswerteeinheit AE verbunden, die einen ersten Computer
CP1 aufweist. Dieser Computer CP1 ist über eine sechste Schnittstelle S6 sowohl mit
dem ersten Achszählsensor AZ1 als auch mit dem zweiten Achszählsensor AZ2 verbunden.
Anstelle zweier Achszählsensoren kann auch ein einzelner Achszählsensor AZ zum Einsatz
kommen, daher ist einer der beiden Achszählsensoren sowohl mit dem Bezugszeichen AZ
als auch mit dem Bezugszeichen AZ1 bezeichnet.
[0069] In der Auswerteeinheit AE ist außerdem eine erste Speichereinrichtung SE1 untergebracht,
die über eine fünfte Schnittstelle S5 mit dem ersten Computer CP1 verbunden ist. Diese
enthält beispielsweise ein Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie eine Bibliothek mit verschiedenen Mustern M1, M2 (vgl. Figur 2), die für bestimmte
zu messende Verläufe VL1, VL2, repräsentiert durch normierte Verläufe NV1, NV2, NV3
verwendet werden (vgl. Figur 2).
[0070] Weiterhin ist der erste Computer CP1 über eine dritte Schnittstelle S3 mit einem
zweiten Computer CP2 in einer Leitzentrale LZ verbunden. Der zweite Computer CP2 ist
überdies über eine vierte Schnittstelle S4 mit einer zweiten Speichereinrichtung SE2
verbunden. Die Leitzentrale steht stellvertretend für eine streckenseitige Einrichtung,
wie ein Stellwerk oder ein automatisches Zugbeeinflussungssystem.
[0071] Das Fahrzeug FZ sowie die Leitzentrale LZ weisen Antennen AT auf, sodass diese über
eine zweite Schnittstelle S2 miteinander kommunizieren können. Außerdem kann das Fahrzeug
FZ über eine erste Schnittstelle S1 mit einem Satelliten STL kommunizieren. Auf diese
Weise ist beispielsweise eine Ortung des Fahrzeugs FZ möglich, wobei es sich bei dem
Satelliten STL um einen Navigationssatelliten handelt.
[0072] Das erfindungsgemäße Verfahren weist Programmmodule auf, die wahlweise im ersten
Computer CP1 oder im zweiten Computer CP2 ablaufen können. Dies hängt davon ab, wie
"intelligent" die durch den Achszähler AZL und die Auswerteeinheit AE gebildete Anordnung
zum Achszählen ausgebildet ist.
[0073] In Figur 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Flussdiagramms
dargestellt. Hierbei werden schematische Darstellungen der Signalverläufe gewählt,
um die einzelnen Verfahrensschritte zu erläutern. Im oberen Teil der Figur 2 sind
die Verläufe VL1 des ersten Achszählersensors AZ1 und VL2 des zweiten Achszählsensors
AZ2 dargestellt. Zu diesem Zweck ist ein Diagramm gewählt, bei dem das Messsignal
U1, U2 in Form einer Ausgangsspannung über die Zeit t dargestellt ist. Im unteren
Teil von Figur 2 sind die nachfolgenden Verarbeitungsschritte einer Normierung mit
dem Ergebnis normierter Verläufe NV1, NV2, NV3, NV 4 sowie ein Vergleich mit Mustern
M1, M2 dargestellt. Den Abgleich mit diesen Mustern beherrscht das Verfahren bereits
im am Anfang des Verfahrensablaufes dieses Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Der
Abgleich kann wie beschrieben durch ein Machine Learning gefunden oder optimiert worden
sein.
[0074] Bei den in Figur 2 dargestellten Verfahren wird, wie bereits erwähnt, der Achszähler
AZL gemäß Figur 1 mit einem ersten Achszählsensor AZ1 und einem zweiten Achszählsensor
AZ2 verwendet. Genauso vorstellbar ist die Verwendung eines Achszählers mit nur einem
Achszählsensors AZ, wobei die Figur 2 ähnlich aussehen würde, d. h. das Diagramm des
Verlaufs VL1 sowie die damit verbundenen Maßnahmen, angedeutet durch Pfeile, würden
wegfallen.
[0075] Anhand des Verlaufs VL1 und des Verlaufs VL2 lässt sich zunächst erkennen, dass die
Achszählsensoren AZ1, AZ2 mit einem lateralen Versatz in Fahrtrichtung im Gleis GL
verbaut sind. Dies führt zu einem Zeitversatz ZVM vergleichbarer Maxima. Dies ist
in Figur 2 angedeutet, indem das aufgrund des Durchgangs des ersten Rads RD des Drehgestells
DG erzeugte erste Maximum M1 im ersten Verlauf VL1 und im zweiten Verlauf VL2 ausgewählt
wurden.
[0076] Weiterhin ist in den Verläufen VL1, VL2 zu erkennen, dass es sich um eine Überfahrt
von zwei Rädern (Achsen) eines Drehgestells handelt. Dies ist zu erkennen, da in den
Verläufen VL1, VL2 neben dem zeitversetzten ersten Maximum M1 ein weiteres, ebenfalls
um den Zeitversatz ZVM verschobenes zweites Maximum M2 zu erkennen ist, welches große
Ähnlichkeit mit dem ersten Maximum M1 aufweist. Das erste Maximum M1 und das zweite
Maximum M2 sind jeweils um einen Zeitversatz ZVR jeweils zwischen den Raddurchgängen
voneinander entfernt. Dieser Zeitversatz ZVR entspricht gerade der Zeitdifferenz,
die zwischen dem Raddurchgang des ersten Rades des Drehgestells DG und des zweiten
Rades RD des Drehgestells DG liegt.
[0077] Aus dem Zeitversatz lässt sich eine Geschwindigkeit v des über den Achszähler überquerenden
Fahrzeuges berechnen. Durch Ableitung der Geschwindigkeit v lässt sich auch auf die
Beschleunigung a schließen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn weitere Achszählimpulse
von anderen Achsen des Fahrzeugs (die in Figur 2 nicht dargestellt sind) vorliegen.
[0078] Die berechneten Werte für die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung a können in
einem Plausibilisierungsschritt PL dahingehend untersucht werden, ob diese Werte für
den überquerenden Fahrzeug überhaupt realistisch sind. Hierfür können beispielsweise
ein Geschwindigkeitsintervall und ein Beschleunigungsintervall definiert werden, die
auch fahrzeugspezifisch definiert sein können. In letzterem Falle müssen für die Auswahl
der betreffenden Geschwindigkeitsintervalle und Beschleunigungsintervalle jedoch auch
Daten aus der im Folgenden beschriebenen Mustererkennung hinzugezogen werden, die
es ermöglichen, einen bestimmten Fahrzeugtyp zu identifizieren.
[0079] Wenn der Plausibilisierungsschritt PL ergibt, dass die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigungswerte
nicht plausibel sind, (also beispielsweise nicht in den betreffenden Geschwindigkeitsintervallen
und Beschleunigungsintervallen liegen) wird eine Warnmeldung generiert und beispielsweise
über ein Ausgabegerät ausgegeben.
[0080] Um die normierten Verläufe NV1, NV2, NV3, NV4 zu erzeugen, wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren in nicht näher dargestellter Weise eine Normierung N durchgeführt. Diese
Normierung beinhaltet eine Amplitudennormierung des Messsignals U1, U2 auf einen Zielwert
ZW, der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 bei 1 liegt. Außerdem wird eine dynamische
Zeitnormierung durchgeführt, wobei der erste Verlauf VL1 bzw. der zweite Verlauf VL2
jeweils vor und hinter dem identifizierten Maximum M1, M2, M3 soweit betrachtet wird,
dass der mit dem Maximum M1, M2, M3 verbundene Verlauf charakterisierbar ist (und
mit Mustern MU1, MU2, MU3 verglichen werden kann, hierzu im Folgenden noch mehr).
Dadurch entstehen die normierten Verläufe NV1, NV2, NV3, NV4 gleichsam in Zeitfenstern
ZF1, ZF2, ZF3, die in ihrer zeitlichen Ausdehnung den Mustern MU1, MU2, MU3 entsprechen.
[0081] Wie zu erkennen ist, führt die Auswertung des ersten Maximums M1 zur Generierung
des ersten normierten Verlaufs NV1 und die Auswertung des zweiten Maximums M2 zu einer
Generierung des dritten normierten Verlaufs NV3. Weiterhin ist ein drittes Maximum
M3 und eine viertes Maximum M4 sowohl im ersten Verlauf VL1 als auch im zweiten Verlauf
VL2 zu erkennen, welches zur Generierung eines zweiten normierten Verlaufs NV2 und
eines vierten normierten Verlaufes NV4 führt.
[0082] Im letzten Schritt erfolgt ein Mustervergleich der normierten Verläufe NV1, NV2,
NV3. Hierbei ergibt sich, dass der erste normierte Verlauf NV1 und der dritte normierte
Verlauf NV3 jeweils mit dem ersten Muster MU1 übereinstimmt, welcher einen Raddurchlauf
repräsentiert. Dies führt zu einem Zählergebnis von 2. Der zweite normierte Verlauf
NV2 wird mittels des zweiten Musters MU2 identifiziert, welches einen Spießgang repräsentiert.
Daher wird der normierte Verlauf NV2 von einer Zählung ausgeschlossen (angedeutet
mit einem X). Ansonsten wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 keine Warnmeldung
erzeugt, da der aufgetretene Fehler zuverlässig erkannt wurde als ein Phänomen, welches
bei Drehgestellen unter bestimmten Bedingungen auftreten kann. Daher ist kein Handlungsbedarf
erforderlich.
[0083] Anders als das erste Muster MU1 und das zweite Muster MU2 existiert das Fehlermuster
MU3 vor dem Auftreten des vierten Messsignales M4 noch nicht. Nachdem das normierte
Messsignal M4 nach dem ersten Auftreten nicht erkannt werden konnte, wird bei seinem
erstmaligen Auftreten eine Warnmeldung WM generiert und ausgegeben.
[0084] Gleichzeitig wird das Messsignal abgespeichert und im weiteren Verlauf des Verfahrens
ein maschinelles Lernen ML angewendet. Hierbei können Verwandtschaften zu vergleichbaren
Vorfällen, d. h. erneuter Generierung eines Messsignals mit der Charakteristik des
vierten Messsignals M4 festgestellt werden. Diese Feststellungen tragen als Ergebnis
des maschinellen Lernens dazu bei, dass ein Fehlermuster MU3 generiert wird und nach
Generierung dieses Fehlermusters auch der normierte Verlauf des vierten Messsignals
wiedererkannt werden kann. In diesen Fällen wird durch Erkennung des Fehlermusters
MU3 eine Warnmeldung WM und eine Übereinstimmungsmeldung UM generiert, wobei Letztere
an zusätzliche spezifische Maßnahmen in Abhängigkeit des erkannten Fehlermusters MU3
gekoppelt ist.
[0085] Handelt es sich um einen durch das Fehlermuster MU3 bekannten Manipulationsversuch
können beispielsweise andere Maßnahmen eingeleitet werden, als wenn es sich um das
Auftreten eines durch das Muster MU3 bekannten Fehlers handelt (wie bereits beschrieben
wurde).
[0086] In Figur 2 ist angedeutet, dass das Muster MU1 das zweite Muster MU2 und das dritte
Muster MU3 einen schraffiert gekennzeichneten Vertrauensbereich aufweist, der hinsichtlich
der normierten Verläufe NV1, NV2, NV3 gewisse Schwankungen zulässt. Dies trägt dem
Umstand Rechnung, dass die gemessenen Verläufe VL1, VL2 gewissen Toleranzschwankungen
unterliegen. Neben einer Messtoleranz ist auch zu berücksichtigen, dass unterschiedliche
Fahrzeuge unterschiedliche Messsignale erzeugen, die z. B. von Gegebenheiten wie dem
Radverschleiß des Fahrzeugs abhängig sind.
Bezugszeichenliste
[0087]
- LZ
- Leitzentrale
- FZ
- Fahrzeug
- DG
- Drehgestell
- RD
- Rad
- FR
- Fahrtrichtung
- GL
- Gleis
- AT
- Antenne
- STL
- Satellit
- AZL
- Achszähler
- AZ, AZ1, AZ2
- Achszählsensor
- AE
- Auswerteeinheit
- CP1 ... CP2
- Computer
- SE1 ... SE2
- Speichereinrichtung
- S1 ... S5
- Schnittstelle
- VL1 ... VL2
- Verlauf
- M1 ... M4
- Maximum
- NV1 ... NV4
- normierter Verlauf
- ZF1 ... ZF4
- Zeitfenster
- U1 ... U2
- Messsignal
- MU1 ... MU3
- Muster
- N
- Normierung
- ZW
- Zielwert
- ZVM
- Zeitersatz zwischen vergleichbaren Maxima
- ZVR
- Zeitversatz zwischen Raddurchgängen
- 2
- Zählergebnis
- X
- Ausschluss
- v
- Geschwindigkeit des Fahrzeugs
- a
- Beschleunigung des Fahrzeugs
- PL
- Plausibilisierungsschritt
- WM
- Warnmeldung
- ML
- maschineller Lernschritt
1. Verfahren zum Zählen von Achsen, bei dem
• ein an einem Gleis (GL) montierter Achszählsensor (AZ, AZ1, AZ2) von einem Rad (RD)
passiert wird,
• der Achszählsensor (AZ, AZ1, AZ2) ein Messsignal (U1 ... U2) erzeugt,
• der Verlauf (VL1 ... VL2) des Messsignals (U1 ... U2) rechnergestützt ausgewertet
wird, wobei das Rad (RD) identifiziert wird,
• bei dem Auswerten des Messsignals (U1 ... U2) in dem Verlauf (VL1 ... VL2) des Messignals
(U1 ... U2) nach mindestens einer Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes
oder einem Maximum (M1 ... M4) der Amplitude des Messsignals (U1 ...U2) gesucht wird,
• der das Maximum enthaltende Verlauf (NV1 ... NV2) des Messsignals (U1 ... U2) mit
Mustern (MU1 ... MU2) mindestens eines Verlaufes (VL1 ... VL2) für das Messsignal
(U1 ... U2) bei Passieren eines Rades (RD) verglichen wird,
• in dem Fall einer gefundenen Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden
Verlaufes mit einem der Muster eine Achse gezählt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Fall, dass keine Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf
mit einem der Muster (MU1 ... MU3) festgestellt wird, eine Warnmeldung (WM) generiert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Auswerten des Messsignals (U1 ... U2)
• die Amplitude des Messsignals (U1 ... U2) bei einer Amplitudennormierung derart
normiert wird, dass das Maximum (M1 ... M4) mit einem vorgegebenen Zielwert (ZW) identisch
ist,
• für den Verlauf (VL1 ... VL2) des Messsignals (U1 ... U2) vor und hinter dem Maximum
(M1 ... M4) eine dynamische Zeitnormierung durchgeführt wird,
wobei der durch Amplitudennormierung und Zeitnormierung normierte Verlauf (NV1 ...
NV2) des Messsignals (U1 ... U2) mit Mustern (MU1 ... MU3) mindestens eines ebenfalls
normierten Verlaufes (VL1 ... VL2) für das Messsignal (U1 ... U2) bei Passieren eines
Rades (RD)
verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der durch Amplitudennormierung und Zeitnormierung normierte Verlauf (NV1 ... NV4)
des Messsignals (U1 ... U2) auch mit Mustern (MU1 ... MU3) mindestens eines Verlaufes
(VL1 ... VL2) für das Messsignal (U1 ... U2) bei Auftreten eines Fehlers verglichen
wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der durch Amplitudennormierung und Zeitnormierung normierte Verlauf (NV1 ... NV2)
des Messsignals (U1 ... U2) mit zumindest einem Muster (MU1 ... MU2) eines Verlaufes
(VL1 ... VL2) für das Messsignal (U1 ... U2) bei Auftreten eines bei der Kurvenfahrt
von Drehgestellen (DG) auftretenden Spießgangs verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Achszähler (AZL) verwendet wird, der in Fahrtrichtung (FR) hintereinander angeordnet
einen ersten Achszählsensor (AZ1) und einen zweiten Achszählsensor (AZ2) aufweist,
wobei das Verfahren nacheinander für den ersten Achszählsensor (AZ1) und den zweiten
Achszählsensor (AZ2) durchlaufen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Maxima in dem durch den ersten Achszählsensor (AZ1) erfassten ersten Verlauf
(VL1) und dem durch den zweiten Achszählsensor (AZ2) erfassten zweiten Verlauf (VL2)
verglichen werden und nur diejenigen Maxima in dem durch Amplitudennormierung und
Zeitnormierung normierten ersten Verlauf (VL1) und zweiten Verlauf (VL2) des Messsignals
(U1 ... U2) mit Mustern (MU1 ... MU2) verglichen werden, die sowohl im ersten Verlauf
(VL1) als auch im zweiten Verlauf (VL2) vorhanden sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Maxima in dem durch den ersten Achszählsensor (AZ1) erfassten ersten Verlauf
(VL1) und den durch den zweiten Achszählsensor (AZ2) erfassten zweiten Verlauf (VL2)
verglichen werden und der Verlauf (VL1 ... VL2) des Messsignals (U1 ... U2) vor und
hinter einem Maximum (M1 ... M4), der bei der dynamischen Zeitnormierung berücksichtigt
werden soll, unter Berücksichtigung eines Zeitversatzes zwischen einem vergleichbaren
Maximum (M1 ... M4) des ersten Verlaufes (VL1) und des zweiten Verlaufes (VL2) bestimmt
wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass
• Geschwindigkeit unter Berücksichtigung von zwei Achsen eines den Achszähler (AZL)
überquerenden Fahrzeugs oder von einer Achse des überquerenden Fahrzeugs, welche den
ersten Achszählsensor (AZ1) und den zweiten Achszählsensor (AZ2) des Achszählers (AZL)
überquert, berechnet wird,
• überprüft wird, ob die berechnete Geschwindigkeit (v) in einem zulässigen Geschwindigkeitsintervall
liegt,
• die Warnmeldung (WM) auch generiert wird, wenn die Geschwindigkeit außerhalb des
zulässigen Geschwindigkeitsintervalls liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass
• aus der berechneten Geschwindigkeit von mehreren Achsen des Fahrzeugs die Beschleunigung
(a) des Fahrzeugs berechnet wird,
• überprüft wird, ob die berechnete Beschleunigung in einem zulässigen Beschleunigungsintervall
liegt,
• die Warnmeldung (WM) auch generiert wird, wenn die Beschleunigung außerhalb des
zulässigen Beschleunigungsintervalls liegt.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Fall, dass keine Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf
mit einem der Muster (MU1 ... MU2) festgestellt wird, ein das betreffende Messsignal
repräsentierendes Fehlermuster (MU3) erzeugt und gespeichert wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Fall, dass keine Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden Verlauf
mit einem der Muster (MU1 ... MU2) festgestellt wird,
• der das Maximum enthaltende Verlauf mit gespeicherten Fehlermustern (MU3) verglichen
wird,
• in dem Fall einer gefundenen Übereinstimmung zwischen dem das Maximum enthaltenden
Verlauf mit einem der Fehlermuster ein Übereinstimmungsmeldung (UM) generiert wird.
12. Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 - 7.
13. Bereitstellungsvorrichtung für das Computerprogrammprodukt nach dem letzten voranstehenden
Anspruch, wobei die Bereitstellungsvorrichtung das Computerprogrammprodukt speichert
und/oder bereitstellt.