Ferromagnetische Inhomogenitäten zur berührungslosen Bestimmung der Geschwindigkeit und gleisselektiven Position von Schienenfahrzeugen
Creators: name: Spindler, Max
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Differenz-Induktivitäts-Sensors (engl. Difference-Inductance-Sensor)
DIS
Sensor
ferromagnetische Inhomogenitäten
Schienenfahrzeuge
Gleis
Schiene
Signaturen
Template
Matching
Template-Matching
Geschwindigkeit
Position
absolute Position
GNSS
Streckenkarten
ferromagnetische Streckenkarte

description: Mit der zunehmenden Digitalisierung und Automatisierung des Schienenverkehrs ist die Kenntnis der Geschwindigkeit und der gleisselektiven Position der Schienenfahrzeuge grundlegend, um einen reibungsfreien und sicheren Betriebsablauf zu gewährleisten. Für einen vollständig autonomen Betriebsablauf sind insbesondere Verfahren erforderlich, die auf dem Schienenfahrzeug zum Einsatz kommen und dadurch kostenintensive Modernisierungen der streckenseitigen Infrastruktur umgehen. Für eine gleisselektive Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs reichen Genauigkeit und Verfügbarkeit der bisherigen fahrzeugseitigen Sensoren (Radencoder, Inertiale Messeinheit, satellitengestützte Positionierungssysteme oder optische Verfahren) nicht aus. Unsicherheiten aufgrund von Mehrwegausbreitung, Verdeckung, geringer Verfügbarkeit, Ausfällen oder schlechte Lichtverhältnissen führen zu Mehrdeutigkeiten oder einem kompletten Verlust der Position. Schlupf zwischen Rad und Schiene oder Verschleiß des Rades führen zu fehlerhaften Geschwindigkeiten und stetig wachsenden Unsicherheiten in der zurückgelegten Wegstrecke. Insbesondere in Bereichen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Gleisen ist eine gleisselektive Positionsbestimmung nicht mehr möglich. Um die Einschränkungen aktueller Sensoren zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein neues Sensorkonzept vorgeschlagen. Basierend auf den ferromagnetischen Inhomogenitäten entlang der Gleisstrecke, die maßgeblich durch die bereits vorhandenen streckenseitigen Infrastrukturelemente, darunter die Schienen, Schienenbefestigung, Radlenker und Herzstücke, verursacht werden, entstand der Differenz-Induktivitäts-Sensor (DIS). Durch die systembedingte Bindung des Schienenfahrzeugs und die Anordnung der Bauelemente entlang der Gleisstrecke besitzt jedes Schienenelement eine einzigartige ferromagnetische Signatur. Um daraus die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs zu ermitteln, ist der DIS mit zwei Detektoren ausgestattet, die über ein elektromagnetisches Messverfahren berührungslos an zwei unterschiedlichen Positionen die ferromagnetischen Inhomogenitäten der Schienen erfassen. Aus dem zeitliche Versatz der Signaturen und dem Abstand der Detektoren ergibt sich die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Gleichzeitig dienen die ferromagnetischen Inhomogenitäten der Schienen als Landmarken, mit denen jeder Streckenabschnitt im Streckennetz eindeutig identifizierbar ist. Dadurch wird ein gleisselektives Verfahren bereitgestellt, um die Position des Schienenfahrzeugs zu bestimmen. Unter kontrollierten Laborbedingungen und auf einer georeferenzierten Teststrecke wird die Erstellung der ferromagnetischen Streckenkarten, die Bestimmung der Geschwindigkeit und das Lokalisierungsverfahren unter alleiniger Verwendung des DIS evaluiert. Die Abweichung in der Geschwindigkeit und Position des DIS zu den Referenzsensoren liegt dabei in derselben Größenordnung wie die Abweichungen der beiden Referenzsensoren zueinander. Die Abweichung der Geschwindigkeit beträgt weniger als |0,5| m/s, die der Position weniger als |1,0| m, zu der Referenzsensorik. Zusätzlich liefert der DIS über die ferromagnetischen Inhomogenitäten der Schiene eine gleisselektive Position des Schienenfahrzeugs. Über ein Modell wird eine maximale Länge der ferromagnetischen Inhomogenitäten von 200 m ermittelt, die für einen eindeutigen Abgleich mit der ferromagnetischen Streckenkarte erforderlich ist. Zusätzlich wird ein Optimierungsverfahren vorgestellt, mit dem der Abgleich auf ausgedehnten Streckenkarten beschleunigt und gleichzeitig die zu speichernde Datenmenge der ferromagnetischen Streckenkarten reduziert wird. Mit dem vollständig autark operierenden DIS ist es nun möglich, berührungslos die Geschwindigkeit und die gleisselektive Position mit einer ferromagnetischen Streckenkarte zu ermitteln. Anhand der ferromagnetischen Inhomogenitäten ist der DIS in der Lage, die linke und rechte Schiene eines Gleissegmentes eindeutig voneinander zu trennen. Im Gegensatz zu satellitengestützten Lokalisierungsverfahren sind parallel verlaufende oder nah beieinander liegende Schienensegmente eindeutig unterscheidbar. Die Gleisselektivität ist dadurch nicht mehr durch die räumliche Nähe der Gleise beschränkt. Im Vergleich zu den bisherigen Verfahren ist mit dem DIS und den ferromagnetischen Inhomogenitäten der Schiene eine kontinuierliche und gleisselektive Position des Schienenfahrzeugs gegeben und nicht auf einzelne Abschnitte in der Nähe von Weichen oder Balisen beschränkt. Mit einer absoluten Positionsgenauigkeit von unter einem Meter und einer Geschwindigkeitsabweichung von weniger als 0,5 m/s erfüllt der DIS die Anforderungen moderner Verkehrsmanagement- und Kontrollsysteme. Der DIS ist dadurch in der Lage, ein satellitenbasiertes Lokalisierungsverfahren zu ersetzen oder dieses über das komplementäre Messverfahren sinnvoll zu ergänzen. Mehrdeutigkeiten in der Gleisbelegung des Schienenfahrzeugs aufgrund von Unsicherheiten in der Position entfallen.