DE60003677T2 - Gleisüberwachungseinrichtung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Ausrüstung zum Überwachen von Eisenbahngleisen, insbesondere zum Bestimmen des Schienenprofiles.
• Gleisaufzeichnungsfahrzeuge, die Instrumente zum Messen vieler unterschiedlicher Eigenschaften eines Eisenbahngleises enthalten, sind bekannt. Derartige Fahrzeuge sind sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb teuer, und folglich kann Eisenbahninstandhaltungspersonal seine Strecken nur in seltenen Intervallen – typischerweise einmal im Monat an den am stärksten befahrenen Strecken, und weniger häufig an anderen Strecken, inspizieren. Handbetätigte Vermessungs-Draisinen sind ebenfalls bekannt, die verwendet werden, um Gleisparameter zu messen, aber diese sind nur für kurze Gleislängen, zum Beispiel bei Anschlussgleisen, geeignet. Ausrüstung, um häufige und regelmäßige Überwachung des Gleiszustandes an im wesentlichen dem gesamten Eisenbahnnetz zu ermöglichen, würde vorteilhaft sein, insbesondere bei dem Beschaffen von Informationen über die Auswirkungen des Eisenbahnverkehrs auf den Gleiszustand, und bei dem quantitativen Bestimmen der Auswirkung der Instandhaltung. Derart häufiges Überwachen wird ebenfalls dem Eisenbahnpersonal ermöglichen, zu entscheiden, wenn Geschwindigkeitsbeschränkungen zu entfernen sind, die nach Gleisinstandhaltung (derart wie übermäßiges Anheben des Ausbaus) auferlegt werden können; und allerdings, wenn Geschwindigkeitsbeschränkungen aufzuerlegen sind, wenn sich die Gleisqualität verringert. Wenn die Gleisqualität auf einer täglichen Basis gemessen werden kann, würde dies ebenfalls die Eisenbahnbetriebssicherheit verbessern, und das Risiko der Entgleisung verringern.
• Ein System für das automatische Überwachen einer Eisenbahnstrecke, entweder um Radfehler, derart wie Abflachungen zu detektieren oder um Schienendefekte, derart wie Schienendurchhang bzw. Schienenabsenkung zu detektieren, ist in US 5,579,013 (Hershey et al.) beschrieben. Die Instrumentenausrüstung ist an einem Eisenbahnfahrzeug installiert, einschließlich eines Positionsortungsinstrumentes, derart wie GPS, und eines Bewegungssensors, derart wie ein Beschleunigungsmesser, der in dem Fahrzeug montiert ist, und zwar zum Erzeugen von Daten in der vertikalen Richtung relativ zu dem Gleis. Daten von dem Sensor werden verarbeitet, um das Frequenzspektrum zu bestimmen, aus dem derartige Defekte erkannt werden können. Die resultierenden Daten können für die nachfolgende Verarbeitung zu einer entfernten Leitstation übertragen werden. Informationen können folglich über Defekte erhalten werden, die das Frequenzspektrum ändern, aber nicht über Abschnitte von Gleisen, die frei von derartigen Defekten sind. Ein System zum Überwachen eines Eisenbahngleises, um die Notwendigkeit für die Instandhaltung und die Sicherheit der Züge zu beurteilen, ist in einer FR 2 602 479 (Magyar Allamvasutak) beschrieben, die Beschleunigungsmesser, die an einem Fahrzeugkörper montiert sind, und Stellungsgeber verwendet, um die Trennung des Körpers von der Radachse zu messen, und die Transducer bzw. Geber zu zwingen, die horizontalen und vertikalen Kräfte an der Achse zu messen. Daten aus den vertikalen Beschleunigungsmessern und den vertikalen Stellungsgebern können kombiniert werden, um das Höhenprofil jeder Schiene in der Längsrichtung zu bestimmen, aber wenn das Gleis nicht gerade ist, wird die Messung ungenau sein, weil sich das Drehgestell um eine vertikale Achse relativ zu dem Fahrzeug drehen wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Ausrüstung zum Überwachen der Schienen von Eisenbahngleisen vorgesehen, wobei die Ausrüstung eine Basisstation und ein Betriebsfahrzeug einschließlich Drehgestellen mit Radsätzen umfasst, mit zumindest einer Instrumentenbaueinheit, die an dem Betriebsfahrzeug installiert ist, und einer automatischen Einrichtung zum Übertragen von Daten von der oder jeder Instrumentenbaueinheit zu der Basisstation fern und in Intervallen, wobei die Instrumentenbaueinheit Sensoren aufweist, einschließlich zumindest eines Beschleunigungsmessers, der an dem Betriebsfahrzeug montiert ist, zumindest eines Positionsortungsinstrumentes, das angeordnet ist, um Positionsinformationen zur Verfügung zu stellen, und eines Computers, der angeordnet ist, um Daten von den Sensoren zu empfangen, um die Daten von dem Beschleunigungsmesser bei einer Frequenz in dem Bereich 500 Hz bis 3000 Hz zu digitalisieren, und um die Daten zu verarbeiten und zu speichern, wobei oberhalb eines Radsatzes zwei vertikale Beschleunigungsmesser an einem Drehgestell des Betriebsfahrzeuges, einer an jeder Seite des Drehgestelles, montiert sind, die Ausrüstung ebenfalls zwei Stellungsgeber aufweist, die angeordnet sind, um den Abstand zwischen dem Drehgestell und dem Radsatz zu überwachen und Datensignale für den Computer zur Verfügung zu stellen, und der Computer eingerichtet ist, um die digitalisierten Daten von den Be schleunigungsmessern zu verarbeiten, entsprechend zu der Doppelintegration, und um folglich mit den Daten von den Stellungsgebern die vertikalen linearen Verschiebungen der Schienen bei regelmäßig beabstandeten Positionen entlang des Gleises zu bestimmen.
• In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „vertikal" auf eine Richtung, die senkrecht zu der der geringfügigen Biegung ist, der die Schiene folgt.
• Die Instrumentenbaueinheit ist ausreichend klein, dass sie an einem Betriebsfahrzeug, zum Beispiel einem Reisezugwagen, installiert werden kann, ohne dass Belästigung der Fahrgäste oder des Personals verursacht wird. Ihre Betätigung ist total automatisch, so dass kein Personal erforderlich ist, um sie zu überwachen. Folglich ermöglicht die Ausrüstung dem Gleis, entlang welchem das Betriebsfahrzeug fährt, auf jeder Fahrt überwacht zu werden, so dass das Gleis verschiedene Male pro Tag überwacht werden kann. Weil sie an einem Betriebsfahrzeug installiert ist, fallen keine zusätzlichen Fahrzeugbetätigungskosten beim Ausführen der Gleisüberwachung an.
• Das Positionsortungsinstrument kann GPS verwenden. Genauere Informationen zu der Position können erhalten werden, indem unterschiedliche GPS verwendet werden, oder durch Detektieren des Standortes von Gegenständen bei bekannten Positionen entlang oder angrenzend an das Gleis, derart wie Weichen oder Kreuzungen, APC (automatische Leistungssteuerung)-Magnete, oder AWS (automatisches Warnsystem)-Magnete. Koppelnavigationsverfahren können ebenfalls verwendet werden, einschließlich Trägheits-Führungssysteme und die Entfernung von bekannten Positionen messen.
• Die Signale von den vertikalen Beschleunigungsmessern und den Stellungsgebern an jeder Seite des Drehgestells ermöglichen den Wellenformen des Oberteils jeder Schiene, d.h. dem Profil der oberen Oberfläche der Maschine entlang ihrer Länge, detektiert und gemessen zu werden. Der Computer kann ebenfalls Daten von anderen Sensoren empfangen, insbesondere ein Signal, das die Geschwindigkeit des Fahrzeuges anzeigt; ein derartiges Signal wird typischerweise durch das Radblockierschutzsystem des Fahrzeuges erzeugt, oder es kann durch einen Geschwindigkeitssensor erzeugt werden, der einen Teil der Instrumentenbaueinheit bildet. Sensoren können ebenfalls vorgesehen werden, um die seitliche Position der Schienen und der Fahrqualität des Fahrzeuges zu überwachen.
• Die Erfindung wird nun weiterhin und ausführlicher mittels nur eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 zeigt eine Seitenansicht, teilweise schematisch, von einem Fahrzeug, das ein Gleisüberwachungssystem einbezieht.
• 2 zeigt graphisch die vertikalen Verschiebungen entlang der Länge einer Schiene, wie diese durch das Verwenden des Überwachungssystems, das in 1 gezeigt ist, gemessen wurden.
• 3 zeigt graphisch die gemessenen Werte der vertikalen Verschiebungen über eine längere Gleislänge, nach statistischer Verarbeitung.
• Unter Bezugnahme auf 1, enthält ein Gleisüberwachungssystem 10 einen Basisstation-Computer 12, der mit einer Antenne 13 und mit einem Anzeigebildschirm 14 verbunden ist. Das System 10 bezieht ebenfalls Instrumentenbaueinheiten 16 ein (nur eine ist gezeigt), die in Betriebsfahrzeugen installiert sind, typischerweise nicht mehr als eine derartige Instrumentenbaueinheit 16 in irgendeinem Zug. Die Figur zeigt eine Seitenansicht, teilweise schematisch, von Teilen eines Fahrzeuges 18, das einen Körper 20 aufweist, der an Federn 22 auf einem Drehgestell 24 getragen wird. Das Drehgestell 24 enthält einen Rahmen 26 und zwei Radsätze 28 (nur einer ist gezeigt), jeder Radsatz 28 ist durch Federn mit dem Rahmen 26 verbunden und jedes Ende von jedem Radsatz 28, das an einem Achslager 30 gehalten wird, erlaubt vertikale Bewegung relativ zu dem Rahmen 26. Jeder Radsatz 28 besteht aus einer Achse 31 und zwei Rädern 32, die auf den Schienen 33 des Gleises ruhen.
• Die Instrumentenbaueinheit 16 enthält vertikale Beschleunigungsmesser 35 und lineare Stellungsgeber 36 an jeder Seite des Drehgestells 24. Jeder Beschleunigungsmesser 35 ist an dem Rahmen 26 direkt oberhalb des Achslagers 30 angebracht, und jeder lineare Stellungsgeber 36 ist zwischen dem Rahmen 26 und einem Lager 37 an dem Ende der Achse 31 so verbunden, um irgendeine vertikale Verschiebung des Rades 32 relativ zu dem Rahmen 26 zu messen. Signale von den Beschleunigungsmessern 35 und den Transducern bzw. Gebern 36 werden einem Computer 40 innerhalb des Körpers 20 zur Verfügung gestellt. Ein Tachometer 42 an dem Drehgestell 24 misst das Verhältnis bzw. die Rate der Umdrehung des Rades 32 und liefert elektrische Signale an den Computer 40. Ein GPS-Empfänger 44 stellt ebenfalls Signale an den Computer 40 zur Verfügung. Der Computer 40 kann zum Beispiel unterhalb eines Fahrgastsitzes in dem Fahrzeug angeordnet sein.
• Innerhalb des Computers 40 werden die Analogsignale von den Beschleunigungsmessern 35 und den Wandlern 36 bei 1 kHz digitalisiert. Die resultierenden Digitaldaten von jedem Beschleunigungsmesser 35 werden so verarbeitet (entsprechend der Doppelintegration), um die vertikalen Verschiebungen des Rahmens 26 zu bestimmen. Die entsprechenden Verschiebungen der oberen Oberfläche der Schiene 33 können folglich berechnet werden, wobei die Verschiebung des Rades 28 relativ zu dem Rahmen 26 bekannt ist. Indem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges 18 von dem Tachometer 42 bekannt ist, berechnet der Computer 40 die Werte dieser vertikalen Verschiebung y bei jedem Achtel eines Meters entlang der Schiene. Die Signalverarbeitung filtert ebenfalls einige Wellenformen bzw. Wellenbewegungen längerer Wellenlänge heraus, zum Beispiel alle Wellen von Wellenlängen, die größer als 35 m sind. Folglich verkörpern die Werte von y die örtliche Verschiebung der oberen Oberfläche der Schiene 33 von einer geringfügigen Biegung. (Es sollte verstanden werden, dass sich der Ausdruck "vertikal" in dieser Beschreibung auf eine Richtung bezieht, die senkrecht zu der der geringfügigen Biegung ist, der durch die Schiene gefolgt wird; diese geringfügige Biegung könnte durch Herausfiltern aller Wellenformen bzw. Wellenbewegungen von Wellenlängen herausgefunden werden, die kleiner als ein Grenzwert sind, und dieser Grenzwert würde üblicherweise bei einem Wert kleiner als 100 m eingestellt werden.) Bezugnehmend nun auf 2, ist dort graphisch eine Reihe von Messungen der vertikalen Verschiebung y der Schiene 33 über eine Entferung von 100 m gezeigt, wie sie mit dem System 10 erhalten wurde. Diese Messungen sind im Grunde genommen identisch mit jenen, die mit einer Standardgleismessvorrichtung erhalten wurden. Es wird beobachtet, dass entlang dieses Gleisabschnittes die Schiene 33 typischerweise innerhalb 10 mm der geringfügigen Biegung ist, aber an einem Punkt den Wert von y 20 mm überschreitet. Bei einem Gleis von guter Qualität würde diese genaue Information nicht gespeichert werden, aber der Computer 40 ist eingerichtet, um genaue Informationen über eine Entfernung derart wie 100 m zu speichern, wenn der Wert von y einen Grenzwert überschreitet – wie dies in diesem Fall auftritt.
• Die Werte der vertikalen Verschiebung y werden üblicherweise weiter verarbeitet, und zwar durch Bestimmen des quadratischen Mittelwertes von y (sprich y') über eine eingestellte Ent fernung, zum Beispiel über eine Länge von einem Achtel einer Meile (d.h. eine Achtelmeile; etwa 201 m). Diese Werte von y' können als ein Hinweis der Glätte jener Länge der Schiene 33 verwendet werden. Der Computer 40 speichert dann in seinem Speicher die Werte von y' als für jede derartige Länge der Schiene 33 berechnet. Periodisch überträgt der Computer 40 all die gespeicherten Daten über eine Antenne 46 zu der Basisstation 12. Dies kann als Antwort auf ein Signal von der Basisstation 12 geschehen und kann, zum Beispiel einmal am Tag ausgeführt werden. Die gespeicherten und übertragenen Daten sind vorzugsweise mit Positionsinformationen markiert, die von dem GPS-Empfänger 44 erhalten werden. Die Werte von y' können dann für jeden Gleisabschnitt angezeigt werden, den das Fahrzeug entlang gefahren ist. Bezugnehmend nun auf 3, zeigt diese graphisch die Messungen des quadratischen Mittelwertes der vertikalen Verschiebung y' für aufeinanderfolgende Achtelmeilen-Längen einer Eisenbahnstrecke, über eine Entfernung von fast acht Meilen (die Werte von 0 an dem Beginn des Diagramms sind ein Artefakt, der aus dem Verfahren der Berechnung hervorgeht).
• Um die Genauigkeit des Systems 10 zu überprüfen, ist eine Reihe von acht Testläufen über einen Gleisabschnitt ausgeführt worden, um die Ergebnisse, die erhalten wurden, wie vorstehend beschrieben worden ist, mit jenen zu vergleichen, die durch das Verwenden eines herkömmlichen Analoggleisaufzeichnungssystems erhalten wurden. Für jedes System wurde aus den quadratischen Mittelwerten y' über eine Entfernung von 27 Achtelmeilen der Durchschnitt gebildet, um einen Probelaufdurchschnitt zur Verfügung zu stellen. Die Probelaufdurchschnitte für die zwei Systeme wurden dann für jeden Probelauf verglichen. Die maximale Differenz zwischen den Messungen, die bei den zwei Systemen erhalten wurde, war 3,0 Prozent, während der Durchschnitt (über den gesamten Probeläufen) der Differenzen zwischen den Probelaufdurchschnitten nur 1,2 Prozent war. Dies bestätigt, dass die Messungen, die mit dem System 10 veranlasst wurden, genau sind.
• Wie dies vorstehend beschrieben ist, erhält das System 10 Informationen über das Längsprofil einer Schiene 33. Diese Information kann ebenfalls unterschiedlich berechnet werden, zum Beispiel durch Herausfiltern der Wellenlängen, die länger als 70 m sind. Es wird verstanden werden, dass das System 10 gleichzeitig Informationen über das Längsprofil der anderen Schiene erhält, und zwar von dem Beschleunigungsmesser 35 und dem Stellungsgeber 36, die an der anderen Seite des Drehgestells 24 montiert sind.
• Die Information kann ebenfalls verarbeitet werden, um zu detektieren, ob Wellenlängen in dem Längsprofil von jeder Schiene 33 vorhanden sind, die geeignet sind, um Fahrzeuge zu veranlassen, vertikal mitzuschwingen, derartige Wellenlängen sind als periodisches Oberteil bekannt. Das System 10 erhält ebenfalls Informationen über die Verdrehung des Gleises, und zwar von der Differenz zwischen den Messungen der vertikalen Verschiebung y für die linke und die rechte Schiene 33, verglichen über einen eingestellten Abstand, zum Beispiel von 3 m. Das resultierende Verdrehungssignal sieht eine Anzeige von irgendwelchen Unregelmäßigkeiten bei der Verdrehung vor, und zeigt folglich irgendwelche Verdrehungsfehler an.
• Folglich ermöglicht das System 10 der Gleisgeometrie, häufig aufgezeichnet zu werden, und ermöglicht, dass irgendeine Verschlechterung der Gleisqualität überwacht wird. Dies ermöglicht, dass die Instandhaltung kostengünstig geplant wird, und es kann eine bessere Instandhaltung erwartet werden, um zu verbesserter Gleisqualität und längerer Lebensdauer zu führen. Es wird zu würdigen sein, dass die Gleisqualität ebenfalls vorteilhaft für Zugbedienungspersonal ist, indem sie den Fahrkomfort beeinflusst, der durch Fahrgäste oder Güter erfahren wird, und wegen niedriger Gleisqualität wird ein Ansteigen dynamischer Kräfte hervorgerufen, die Spannungen an den Fahrzeugen verursachen, was manchmal zu Bauteilversagen führen kann.
• Es wird erkannt werden, dass die System 10 von dem vorstehend Beschriebenen abweichen kann, und insbesondere es ebenfalls andere Parameter messen kann, die die Gleisqualität betreffen. Zum Beispiel kann es optische Sensoren enthalten, um irgendwelche seitlichen Verschiebungen der Schienen zu detektieren. Derartige Detektoren würden ebenfalls der Gleisstärke ermöglichen, überwacht zu werden. Andere Sensoren, die an dem Drehgestell 24 montiert sind, können die Abschrägung, die Krümmung oder den Gradienten messen. Es können ebenfalls vertikale und seitliche Beschleunigungsmesser an dem Körper 20 vorgesehen sein, deren Signale dem Computer 40 zur Verfügung gestellt werden, um Informationen über die Fahrqualität zu erlangen. Des Weiteren kann der Computer 40 an der Unterseite des Körpers 20, eher als innerhalb von ihm, montiert werden. Es wird ebenfalls erkannt werden, dass die Signale unterschiedlich verarbeitet werden können, zum Beispiel bei einer unterschiedlichen Frequenz digitalisiert werden, vorzugsweise in dem Bereich 500 Hz bis 3000 Hz, zum Beispiel bei 2 kHz. Es wird ebenfalls erkannt werden, dass die Instrumentenbaueinheit an irgendeiner Ausführung des Betriebsfahrzeuges installiert werden kann, wobei zum Beispiel Fahrzeuge mit Luftfedern und zum Beispiel Güterfahrzeuge enthalten sind.

Claims (6)

1. Ausrüstung (10) zum Überwachen von Schienen von Eisenbahngleisen (33), wobei die Ausrüstung eine Basisstation (12, 13, 14) und ein Betriebsfahrzeug (18) einschließlich Drehgestellen mit Radsätzen umfasst, mit zumindest einer Instrumentenbaueinheit (16), die an dem Betriebsfahrzeug (18) installiert ist, und einer automatischen Einrichtung (46) zum Übertragen von Daten von der oder jeder Instrumentenbaueinheit (16) zu der Basisstation (13) fern bzw. durch Fernübertragung und in Intervallen, wobei die Instrumentenbaueinheit (16) Sensoren aufweist, einschließlich zumindest eines Beschleunigungsmessers (35), zumindest eines Positionsortungsinstrumentes (44), das angeordnet ist, um Positionsinformationen zur Verfügung zu stellen, und eines Computers, der angeordnet ist, um Daten von den Sensoren zu empfangen, um die Daten von dem Beschleunigungsmesser (35) bei einer Frequenz in dem Bereich von 500 Hz bis 3000 Hz zu digitalisieren, und um die Daten zu verarbeiten und zu speichern, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines Radsatzes (18, 31) zwei vertikale Beschleunigungsmesser (35) an einem Drehgestell (24) des Betriebsfahrzeuges (18), einer an jeder Seite des Drehgestelles montiert sind, die Ausrüstung ebenfalls zwei Stellungsgeber bzw. Verlagerungswandler (36) aufweist, einen an jeder Seite des Drehgestelles (24), die angeordnet sind, um den Abstand zwischen dem Drehgestell (24) und dem Radsatz (28, 31) zu überwachen und Datensignale für den Computer zur Verfügung zu stellen, und der Computer (40) eingerichtet ist, um die digitalisierten Daten von den Beschleunigungsmessern zu verarbeiten, entsprechend der Doppelintegration, und um folglich mit den Daten von den Stellungsgebern bzw. Verlagerungswandlern (36) die vertikalen linearen Verschiebungen bzw. Verlagerungen der Schienen bei regelmäßig beabstandeten Positionen entlang des Gleises zu bestimmen.
2. Ausrüstung gemäß Anspruch 1, wobei der Computer (40) eingerichtet ist, um die Daten so zu verarbeiten, um irgendwelche Wellenformen bzw. Wellenbewegungen längerer Wellenlänge herauszufiltern.
3. Ausrüstung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Positionsortungsinstrument GPS (44) verwendet.
4. Ausrüstung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, die ferner einen Sensor (42) enthält, um die Geschwindigkeit des Fahrzeuges (18) zu messen.
5. Ausrüstung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, die ferner einen Sensor enthält, um die seitliche Position der Schienen zu überwachen.
6. Ausrüstung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Computer eingerichtet ist, um Daten von dem Beschleunigungsmesser bei einer Frequenz von 1000 Hz zu digitalisieren.