AT527931B1 - Verfahren, Messvorrichtung und System zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils (12), insbesondere einer Gleisschwelle (6), eines in einem Schotterbett (7) gelagerten Gleises (4), wobei ein Bereich (14) des Gleises (4) mittels einer optischen Sensoreinrichtung (17) erfasst wird. Dabei wird das Gleis (4) im erfassten Bereich (14) mit dem unter Schotterkörnern (11) verborgenen Gleisbauteil (12) gehoben, wobei Schotterkörner (11) in ihrer Position verändert werden und wobei die Anordnung des Gleisbauteils (12) anhand der mittels der Sensoreinrichtung (17) erfassten Positionsänderungen (16) der Schotterkörner (11) bestimmt wird. Auf diese Weise erfolgt eine indirekte Bestimmung der Anordnung des eingeschotterten Gleisbauteils (12).

Description

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Beschreibung

VERFAHREN, MESSVORRICHTUNG UND SYSTEM ZUM BESTIMMEN DER ANORDNUNG EINES GLEISBAUTEILS

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils, insbesondere einer Gleisschwelle, eines in einem Schotterbett gelagerten Gleises, wobei ein Bereich des Gleises mittels einer optischen Sensoreinrichtung erfasst wird. Zudem betrifft die Erfindung eine entsprechende Messvorrichtung, umfassend die optische Sensoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Anordnung anhand von Messsignalen der Sensoreinrichtung sowie ein System mit der Messvorrichtung.

[0002] Aus der AT 519739 A4 ist ein Verfahren zum Steuern einer Gleisbaumaschine bekannt. Mittels einer optischen Sensoreinrichtung werden Lagedaten von Gleisobjekten, insbesondere von Gleisschwellen und Gleisschienen, und von Hindernissen erfasst. Die optische Sensoreinrichtung kann hierzu einen Laserscanner oder eine Kamera aufweisen. Wie zuverlässig und präzise die Lagedaten der Gleisobjekte erfasst werden können, ist abhängig von der Beschaffenheit des zu erfassenden Objekts und seiner Umgebung. Zudem kann mit dem Verfahren nur die Anordnung von Gleisobjekten, die für die optische Sensoreinrichtung sichtbar sind, bestimmt werden.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass auch die Anordnung von mit Schotterkörnern bedeckten Gleisbauteilen bestimmbar ist. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung und ein System zur Nutzung der Messvorrichtung anzugeben.

[0004] Gelöst werden diese Aufgaben durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 9 und 12. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[0005] Erfindungsgemäß wird das Gleis im erfassten Bereich mit dem unter Schotterkörnern verborgenen Gleisbauteil gehoben, wobei Schotterkörner in ihrer Position verändert werden und wobei die Anordnung des Gleisbauteils anhand der mittels der Sensoreinrichtung erfassten Positionsänderungen der Schotterkörner bestimmt wird. Dabei kann der angehobene Gleisabschnitt auch über den mittels der Sensoreinrichtung erfassten Bereich hinausgehen. Auf diese Weise erfolgt eine indirekte Bestimmung der Anordnung des eingeschotterten Gleisbauteils. Gemeint sind mit Positionsänderungen der Schotterkörner auch Lageänderungen durch geringfügige Rolloder Kippvorgänge. Auch dabei verändern Kanten und Oberflächensegmente des jeweiligen Schotterkorns ihre Position im Raum. Die Bewegung des Gleisbauteils im Zuge der Gleisanhebung bewirkt die erfassten Positionsänderungen der Schotterkörner. Die direkt über dem Gleisbauteil positionierten Schotterkörner werden mit dem Gleisbauteil angehoben. Andere Schotterkörner, die beispielsweise in einem Schwellenfach zwischen zwei Gleisschwellen positioniert sind, bleiben unverändert liegen. In einem Übergangsbereich rutschen Schotterkörner seitlich ab. Auch diese Rieselbewegung wird mittels der Sensoreinrichtung erfasst und zur Bestimmung der Anordnung des Gleisbauteils genutzt.

[0006] Durch Erfassung der Positionsänderungen, das heißt, der Bewegungen der Schotterkörner wird insbesondere auf die Anordnung des Gleisbauteils in Gleislängsrichtung rückgeschlossen. Im einfachsten Fall geschieht dies durch Auswertung von Höhendifferenzen entlang der erfassten Schotterkornoberfläche. Dazu erfolgen beispielsweise vor dem Anheben und nach dem Anhaben des Gleisabschnitts Aufnahmen mittels eines 3D-Scanners. Vorzugsweise wird mittels eines Lasers ein Linien- oder Gittermuster auf die Schotteroberfläche projiziert und mittels einer Kamera erfasst. Aus lokalen Verwerfungen des Musters beim Anheben des Gleisabschnitts sind die Höhendifferenzen ableitbar.

[0007] Die optische Sensoreinrichtung, insbesondere eine Kamera, ist direkt von oben oder von schräg oben auf den erfassten Bereich des Gleises mit dem unter Schotterkörnern verborgenen Gleisbauteil gerichtet. Rieselbewegungen der Schotterkörner an den Rändern des angehobenen Gleisbauteils werden mittels einer rechnerischen Bildanalyse ausgewertet, beispielsweise mittels

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Bildkorrelation oder Optical-Flow- Analyse von zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden 2Doder 3D-Aufnahmen.

[0008] Vorteilhafterweise wird die Positionserfassung der Schotterkörner mittels einer sogenannten Event-Kamera erfasst. Das ist eine Kamera, deren ereignisbasierter Bildsensor auf die bloße Erfassung von Veränderungen innerhalb eines aufgenommenen Bereichs eingerichtet ist. Wenn sich innerhalb des Bereichs, auf den die Event-Kamera gerichtet ist, keine Veränderungen ereignen, zeigt das aufgenommene Bild eine gleichmäßig graue Fläche. Sobald jedoch in dem Bereich ein Event stattfindet, das heißt, eine optische Veränderung auftritt, zeigt das aufgenommene Bild der Event-Kamera dies durch veränderte Grauwerte bis hin zu Weiß und Schwarz an den entsprechenden Stellen an. Die Darstellung der Events geschieht dabei unabhängig von einer absoluten Helligkeit der aufgenommenen Scene. Es können somit auch Bewegungen von Objekten erfasst werden, deren Helligkeit oder Dunkelheit außerhalb des Dynamikumfangs einer herkömmlichen Kamera liegen. Zudem weist eine Event Kamera asynchrone Aktualisierungsraten im Bereich von 1 MHz auf, wodurch auch sehr schnelle Ereignisse mit hoher Auflösung und ohne Bewegungsunschärfe erfassbar sind. Auch die Latenz einer Event-Kamera ist deutlich geringer als die Latenz einer herkömmlichen Kamera. Das erlaubt die Erfassung von Ereignissen in Echtzeit.

[0009] Insbesondere geben in der Event-Kamera jene Sensorpixel eines Bildsensors ein Messsignal aus, welche eine Helligkeitsänderung an der jeweils zugeordneten Stelle des erfassten Bereichs detektieren. Die Zuordnung der Stelle des erfassten Bereichs zum jeweiligen Sensorpixel ist dabei durch eine Abbildungsoptik, insbesondere durch ein Objektiv der Event-Kamera gegeben. Die Pixelgröße und die Eigenschaften der Abbildungsoptik bestimmen dabei an der jeweiligen Stelle die Größe des Ausschnittes, der mit einem einzelnen Sensorpixel abgebildet wird. Jedenfalls wird die Bewegung eines Schotterkorns sofort erfasst, wenn sich ein Helligkeitswert auf der Oberfläche des Schotterkorns ändert. Das geschieht, wenn die entsprechende Oberfläche ihre Lage gegenüber einer vorhandenen Beleuchtung ändert. Helligkeitsveränderungen infolge einer Bewegung sind sowohl bei Tageslicht als auch bei Kunstlicht detektierbar.

[0010] Bei einer weiteren vorteilhaften Verbesserung wird das jeweils ausgegebene Messsignal einer Auswerteeinrichtung zugeführt, wobei in der Auswerteeinrichtung über einen Erfassungszeitraum empfangene Messsignale zur Bestimmung der Lage des Gleisbauteils ausgewertet werden. Der Erfassungszeitraum entspricht einer Kumulierungszeit für das jeweils empfangene Messsignal. Das bedeutet, dass während dieser Zeitspanne ein zum Messsignal proportionaler Wert akkumuliert wird.

[0011] Die Kumulierungszeit wirkt sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Erfassungsgenauigkeit beim Bestimmen der Anordnung des Gleisbauteils aus. Eine kürzer Kumulierungszeit erhöht die Auswertegeschwindigkeit. Allerdings muss die Kumulierungszeit ausreichend lang sein, damit genug relevante Bildinformationen infolge erfasster Helligkeitsunterschiede ausgewertet werden können. Bevorzugt liegt die Kumulierungszeit in einem Bereich zwischen 10 Millisekunden und 33 Millisekunden.

[0012] Vorteilhafterweise werden über den Erfassungszeitraum empfangene Messsignale der Sensorpixel als Eventwerte ausgewertet. Dabei ergibt zum Beispiel jede Helligkeitsveränderung von hell nach dunkel oder von dunkel nach hell einen Eventwert gleich eins. Entweder bleibt der erstmalige Eventwert pro Sensorpixel für die Dauer des Erfassungszeitraums erhalten oder es werden die Eventwerte pro Sensorpixel kumuliert. Dann ist der jeweilige Eventwert umso höher, je mehr Helligkeitsänderungen infolge von Bewegungen an der dem betreffenden Sensorpixel zugeordneten Stelle des Gleises erfasst werden.

[0013] Vorteilhafterweise werden die Messsignale der Sensorpixel, die auf einer gemeinsamen Erfassungsachse, die insbesondere parallel zu einer Gleisquerrichtung ausgerichtet ist, angeordnet sind, als ein summierter Eventwert ausgewertet. Für die jeweilige Erfassungsachse ist somit nur der eine summierte Eventwert für die weitere Auswertung heranzuziehen. Damit sind auf effiziente Weise die Lage von Gleisbauteilen mit einer Längsausrichtung parallel zur gewählten Erfassungsachse bestimmbar. Ein entsprechender Auswertealgorithmus ist mit geringen Rechenressourcen und mit kurzer Auswertedauer ausführbar, wodurch ein Auswerteergebnis na-

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hezu in Echtzeit vorliegt.

[0014] In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens wird einer Höhenlage einer Schotteroberfläche in Bezug auf die Sensoreinrichtung erfasst, wobei die Anordnung des Gleisbauteils insbesondere anhand eines Höhenprofils der Schotteroberfläche bestimmt wird. Dabei wird mittels der Sensoreinrichtung das Resultat von Positionsänderungen der Schotterkörner erfasst. Sobald einzelne Schotterkörner eine veränderte Höhenlage gegenüber der Sensoreinrichtung aufweisen, wird diese Veränderung des Oberflächenprofils für die nachfolgende Auswertung zur Bestimmung der Anordnung eines Gleisbauteils herangezogen. Als Sensoreinrichtung kommt beispielsweise ein 2D- oder 3D-Laserscanner oder ein Lidar-Sensor (engl. Light Detection and Rangig Sensor) zur Anwendung.

[0015] Bevorzugt wird die Sensoreinrichtung synchron zu einem Hebeaggregat einer Gleisbaumaschine angesteuert. Mit Hebeaggregat ist auch ein Hebe- und Richtaggregat gemeint.

[0016] Mit dieser Verbesserung wird die Sensoreinrichtung gezielt aktiviert, wenn ein Gleisabschnitt mittels des Hebeaggregats in Bewegung versetzt wird. Die Sensoreinrichtung und eine rechnergestützte Auswertung benötigen außerhalb dieser Vorgänge keine Ressourcen, woraus insgesamt eine effiziente Durchführung des Verfahrens resultiert.

[0017] Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils, insbesondere einer Gleisschwelle, eines in einem Schotterbett gelagerten Gleises, umfassend eine optische Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Bereichs des Gleises und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Anordnung anhand von Messsignalen der Sensoreinrichtung, ist die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet, während eines Hebevorgang eines Abschnitts des Gleises mit dem unter Schotterkörnern verborgenen Gleisbauteil Positionsänderungen der Schotterkörner zu erfassen, und die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, die Anordnung des Gleisbauteils anhand der erfassten Positionsänderungen der Schotterkörner zu bestimmen. Mit dieser Messvorrichtung ist eine verlässliche Bestimmung der Lage eines unter Schotter verborgenen Gleisbauteils in Echtzeit durchführbar.

[0018] Vorteilhafterweise umfasst die Sensoreinrichtung eine Event-Kamera. Eine solche EventKamera ermöglicht die Erfassung von Schotterbewegungen unabhängig von der herrschenden Lichtsituation, beispielsweise bei hohem Kontrastumfang, mit hoher Genauigkeit und ohne Verzögerungen.

[0019] Bei einer weiteren Verbesserung umfasst die Sensoreinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung, insbesondere einen Lidar-Sensor oder eine TOF-Kamera. Mit dieser Abstandsmesseinrichtung ist ein Abstand der Schotteroberfläche zur Sensoreinrichtung erfassbar. In einer einfachen Variante ist damit die Lage eines verborgenen Gleisbauteils anhand eines veränderten Oberflächenprofils bestimmbar. Zusammen mit einer Event-Kamera dient die Abstandsmesseinrichtung zur Festlegung einer Bezugsebene zur Bestimmung der Lage eines Gleisbauteils in einem der Sensoreinrichtung zugeordneten Koordinatensystem. Das ist sinnvoll, wenn die EventKamera mit einer schrägen Blickrichtung, das heißt, mit einem spitzen Blickwinkel auf die Schotteroberfläche ausgerichtet ist. Dann ergibt sich aus einem Abgleich der mittels Event-Kamera und Abstandsmesseinrichtung erfassten Daten eine bestimmte Position der mittels der Event-Kamera erfassten Oberfläche im Raum. Die Positionen charakteristischer Oberflächenmerkmale führen in weiterer Folge zur räumlichen Bestimmung der Anordnung eines anhand dieser Oberflächenmerkmale gefundenen Gleisbauteils. Solche charakteristische Oberflächenmerkmale sind insbesondere die mittels der Event-Kamera erfassten und statistisch ausgewerteten Positionsänderungen der Schotterkörner. Beispielsweise zeigen gehäufte Positionsänderungen der Schotterkörner einen darunter befindlichen Gleisbauteil an.

[0020] Ein erfindungsgemäß es System mit der beschriebenen Messvorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Hebeaggregat zum Heben eines Gleisabschnitts, auf den die Sensoreinrichtung gerichtet ist. Ein solches System umfasst alle Komponenten, die zum effizienten Auffinden eines unter Schotter verborgenen Gleisbauteils erforderlich sind. Sobald ein Gleisabschnitt, auf den die Messvorrichtung gerichtet ist, mittels des Hebeaggregats bewegt wird, erfolgt eine Erfassung der

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bewegten Schotterkörner mit einer anschließenden Auswertung zur Positionserfassung charakteristischer Oberflächenmerkmale, die durch den bewegten Gleisbauteil hervorgerufen werden.

[0021] Bevorzugt ist als eine Systemkomponente eine Steuerungseinrichtung zur synchronen Ansteuerung des Hebeaggregats und der Messvorrichtung angeordnet. Diese Steuerungseinrichtung ist beispielsweise als separate Komponente mit einer Maschinensteuerung einer Stopfmaschine gekoppelt oder in diese Maschinensteuerung integriert. Damit ist die Messvorrichtung aktivierbar, sobald das Hebeaggregat eine Bewegung des betrachteten Gleisabschnitts bewirkt.

[0022] Vorteilhafterweise ist das System als Gleisbaumaschine ausgebildet, die mit Schienenfahrwerken auf dem Gleis verfahrbar ist und das Hebeaggregat sowie die Messvorrichtung umfasst. Die Messvorrichtung ist dabei ein integraler Bestandteil der Gleisbaumaschine.

[0023] Dabei umfasst die Gleisbaumaschine insbesondere ein Stopfaggregat zum Unterstopfen von Gleisschwellen, wobei die jeweilige Gleisschwelle eine mittels der Messvorrichtung bestimmte Anordnung gegenüber der Gleisbaumaschine aufweist und wobei eine Maschinensteuerung insbesondere zum automatischen Positionieren des Stopfaggregats über der jeweiligen Gleisschwelle eingerichtet ist. Eine solche Gleisbaumaschine ist als autonome Maschine zum automatischen Unterstopfen der Gleisschwellen betreibbar. Dabei liefert die Messvorrichtung der Maschinensteuerung alle notwendigen Positionsdaten zur automatisierten Positionierung des Stopfaggregats über der jeweiligen Gleisschwelle.

[0024] Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

[0025] Fig. 1 Gleisbaumaschine auf einem Gleis;

[0026] Fig. 2 Gleisbauteil unter Schotter;

[0027] Fig. 3 Gleisabschnitt und Messvorrichtung;

[0028] Fig. 4 Sensoreinrichtung;

[0029] Fig. 5 Aufnahme einer Event-Kamera mit einem ersten Erfassungszeitraum; [0030] Fig. 6 erfasste Events gemäß der Aufnahme in Fig. 5;

[0031] Fig. 7 Aufnahme einer Event-Kamera mit einem zweiten Erfassungszeitraum; [0032] Fig. 8 erfasste Events gemäß der Aufnahme in Fig. 6.

[0033] Die in Fig. 1 dargestellte Gleisbaumaschine 1 ist eine Stopfmaschine und umfasst einen Maschinenrahmen 2, der auf Schienenfahrwerken 3 auf einem Gleis 4 verfahrbar ist. Diese Gleisbaumaschine 1 dient zur Wiederherstellung einer Soll-Lage eines aus Gleisschienen 5 und Gleisschwellen 6 gebildeten Gleisrosts, der in einem Schotterbett 7 gelagert ist. Zum Heben und seitlichen Richten ist am Maschinenrahmen 2 ein Hebeaggregat 8 angeordnet. Ein bezüglich einer Arbeitsrichtung 9 dahinter angeordnetes Stopfaggregat 10 dient zum Fixieren des angehobenen Gleisrosts, indem Schotterkörner 11 unter die angehobenen Gleisschwellen 6 geschoben und verdichtet werden.

[0034] Insbesondere bei einer Gleisneulage sind Gleisbauteile 12, insbesondere die Gleisschwellen 6 sowie Balisen oder Bauteile einer Weiche, vollkommen eingeschottert, weil große Hebewerte erforderlich sind, damit das Gleis 4 in eine gewünschte Endlage gebracht werden kann. Es bedarf eine ausreichenden Schottermenge zum Verfüllen der entsprechend großen Hohlräume unter den Gleisschwellen infolge der großen Hebungen. Bei einer solchen Einschotterung sind auch Schienenbefestigungen tief unter der Schotterschicht verborgen, sodass Sensoren zur Detektion dieser metallischen Schienenbefestigungen versagen. Somit besteht keine Möglichkeit, die Anordnung einer Gleisschwelle 6 anhand einer Position der zugeordneten Schienenbefestigung zu bestimmen. In der Praxis erfolgt die Positionierung des Stopfaggregats 10 über einer Gleisschwelle 6 durch eine Bedienperson, die aufgrund ausreichender Erfahrung und anhand bekannter Schwellenabstände die Anordnung der jeweiligen Gleisschwelle 6 unter den Schotterkörnern 11 abschätzen kann.

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[0035] Zur Entlastung der Bedienperson und in weiterer Folge zur Automatisierung der Gleisbaumaschine 1 ist erfindungsgemäß eine Messvorrichtung 13 angeordnet, mittels derer die Anordnung eines jeweiligen Gleisbauteils 12 unter einer Schotterschicht bestimmbar ist. Diese Messvorrichtung 13 ist auf einen Bereich 14 des Gleises 4 gerichtet und erfasst die entsprechende Oberfläche. In diesem Bereich wird ein Abschnitt des Gleises 4 mittels des Hebeaggregats 8 angehoben. Im Zuge dieses Hebevorgangs 15 geraten Schotterkörner 11 in Bewegung und ändern ihre Position. Insbesondere werden die auf verborgenen Gleisbauteilen 12 lagernde Schotterkörner 11 mit nach oben gehoben. Die dazwischen befindlichen Schotterkörner 11 behalten ihre Position bei. In einem Übergangsbereich rutschen teilweise angehobene Schotterkörner 11 seitlich ab. Diese Positionsänderungen 16 der Schotterkörner 11 werden mittels einer optischen Sensoreinrichtung 17 der Messvorrichtung 13 erfasst. Dabei ergeben sich charakteristische Merkmale der erfassten Schotteroberfläche 18, die eindeutige Rückschlüsse auf die Anordnung des jeweils verborgenen Gleisbauteils 12 zulassen.

[0036] In einer Auswerteeinrichtung 19 werden diese charakteristischen Merkmale der erfasste Schotteroberfläche 18 rechnerisch ausgewertet. Dazu ist in der Auswerteeinrichtung 19 ein entsprechender Algorithmus eingerichtet. Bevorzugt kommt ein trainierbarer Algorithmus zur Anwendung, der auf Basis zurückliegender und bewerteter Arbeitsvorgänge ein laufend verbessertes mathematisches Modell auf Basis künstlicher Intelligenz (Kl-Modell) zur Bestimmung der Lage eines Gleisbauteils 12 aus den Aufnahmedaten der Sensoreinrichtung 17 bildet. Dabei wird ein in einem Prozessor der Auswerteeinrichtung 19 implementiertes künstliches neuronales Netz mit Daten der Sensoreinrichtung 17 trainiert. Bevorzugt wird für dieses Training des Kl-Modells das sogenannte Machine Learning Operations (MLOps) Verfahren angewendet. Der Vorteil liegt in konsistenten und nachvollziehbaren Ergebnissen. Dies wird durch ein von Experten überwachtes Training und die selektive Zuführung kontrollierter, qualitativ hochwertiger Daten erreicht. Die entsprechende Kl nutzt dabei das sogenannte Deep Learning Verfahren von Neuronalen Netzen.

[0037] Rieselbewegungen 20 der Schotterkörner 11 an den Rändern des aufwärts bewegten Gleisbauteils 12 werden mittels einer in der Auswerteeinrichtung 19 eingerichteten Bildanalyse erkannt. Dazu wird für zwei oder mehr aufeinanderfolgende 2D-Aufnahmen oder 3D-Aufnahmen eine digitale Bildkorrelation (engl. Digital Image Correlation, DIC) oder eine optische Flussanalyse (engl. Optical Flow Analysis) zur Bestimmung von Bewegungsvektoren durchgeführt. In Fig. 2 sind mittels der Bildanalyse erkannte Positionsänderungen 16 der Schotterkörner 11 als schraffierte Zonen eingezeichnet. Es ist ersichtlich, dass der Hebevorgang 15 ein charakteristisches Muster der erkannten Positionsänderungen 16 hervorruft. Es ergibt sich ein resultierendes H6öhenprofil 21 der Schotteroberfläche 18, aus dem die Anordnung des verborgenen Gleisbauteils 12 ableitbar ist.

[0038] Zur Erfassung der Positionsänderungen 16 der Schotterkörner 11 umfasst die Sensoreinrichtung 17 beispielsweise einen Lidar-Sensor, einen TOF-Sensor (engl. Time-of-Flight Sensor), oder eine Digitalkamera zur Aufnahme von Farbaufnahmen oder monochromen Aufnahmen. Mittels der Digitalkamera werden Bilder mit ausreichend hoher Bildrate (engl. Frames per Second, FPS) aufgenommen und anschließend der Bildanalyse zugeführt. Auch ein 2D-Laserscanner ist zur Erfassung des resultierenden Höhenprofils 21 einsetzbar.

[0039] In Fig. 3 ist die Messvorrichtung 13 mit einer erweiterten Sensoreinrichtung 17 dargestellt. Diese Anordnung umfasst die Auswerteeinrichtung 19, an die eine Event-Kamera 22 und eine Abstandsmesseinrichtung 23 angeschlossen sind. Die Event-Kamera 22 erfasst im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras nur aktuelle Bewegungen innerhalb des beobachteten Bereichs 14, wobei diese Bewegungen in Form von lokalen Helligkeitsänderungen erkannt werden. Andere Bezeichnungen sind Neuromorphic Camera, Silicon Retina oder Dynamic Vision Sensor. Die auf einem Bildsensor 24 angeordneten Sensorpixel 25 arbeiten unabhängig voneinander sowie asynchron und liefern nur dann ein Ausgangssignal, wenn an einer mittels einer Abbildungsoptik 26 zugeordneten Stelle 27 des erfassten Bereichs 14 eine Helligkeitsänderung auftritt (Fig. 4).

[0040] Bevorzugt ist eine Lichtquelle 28 mit einem schrägen Lichteinfall auf den beobachteten Bereich 14 angeordnet. Auf diese Weise führen bereits geringe Bewegungen eines Schotterkorns

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11 zu erkennbaren Helligkeitsveränderungen auf der Oberfläche. Optimal ist eine Beleuchtung, die bereits bei minimalen Schotterbewegungen maximale Kontraständerungen hervorruft. Zusätzlich kann die Beleuchtung spektral eingeschränkt sein, um eine definierte Beleuchtungssituation zu erzeugen. Die optischen Erfassungseinrichtungen 22, 23 sind dabei mit entsprechenden optischen Filtern ausgestattet.

[0041] Die Abstandsmesseinrichtung 23 umfasst beispielsweise einen Lidar-Sensor oder einen TOF-Sensor zur Erfassung eines Abstandes zu einer Höhenlage h des jeweiligen Schotterkorns 11. Beispielsweise wird als Höhenlage h einen Abstand zwischen einem Nullpunkt der Abstandsmesseinrichtung 23 und einer Bezugsebene 29, die der unregelmäßigen Schotteroberfläche 18 angenähert ist, erfasst. Durch die bekannte fixe Anordnung der Abstandsmesseinrichtung 23 und der Event-Kamera 22 innerhalb eines Gehäuses oder eines Tragrahmens der Messvorrichtung 13 ist damit auch die Höhenlage h des jeweiligen Schotterkorns 11 bezüglich des Bildsensors 24 der Event-Kamera 22 bekannt.

[0042] In Fig. 3 ist der Hebevorgang 15 mit Pfeilen dargestellt. Das Hebeaggregat 8 greift die Gleisschienen 5 an einer Hebestelle 30 mit Heberollen oder Hebehaken und zieht diese gemeinsam mit den Gleisbauteilen 12, die mit den Gleisschienen 5 verbunden sind, nach oben. Im Wesentlichen sind das die Gleisschwellen 6, die sich im gehobenen Abschnitt des Gleises 4 befinden. Die Hebungen der Gleisschwellen 6 sind in unmittelbarer Nähe zur Hebestelle 30 am größten und nehmen mit zunehmender Entfernung zur Hebestelle 30 ab. Deshalb ist die Messvorrichtung 13 in der Weise an der Gleisbaumaschine 1 angeordnet, dass der erfasste Bereich 14 nahe an der Hebestelle 30 liegt. Bevorzugt liegt die Hebestelle 30 innerhalb des erfassten Bereichs 14. Die Hebung zur Erfassung der Positionsänderungen 16 der Schotterkörner 11 liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 mm und 40 mm, insbesondere zwischen 5mm und 20 mm, zum Beispiel bei 10 mm. Nach dem Erfassungsvorgang kann die Hebung ohne Unterbrechung fortgesetzt werden, wenn ein größerer Hebewert zur Erreichung einer Soll-Lage des Gleises 4 vorgegeben ist.

[0043] Die Bestimmung der Position einer Stelle 27 an der Oberfläche eines Schotterkorns 11 mit einer erkannten Helligkeitsänderung wird mit Bezug auf Fig. 4 erläutert. Als Bezugssystem dient beispielsweise ein fixes Koordinatensystem XYZ der Messeinrichtung 13. Die Höhenlage h der Schotteroberfläche 18 wird mittels der Abstandsmesseinrichtung 23 gemessen. Aus dieser gemessene Höhenlage h ist ein aktueller Abstand der Event-Kamera 22 zur Schotteroberfläche 18 ableitbar. Über eine Projektionsachse 31 gemäß einem Lochkamera-Modell erfolgt in weiterer Folge eine Positionsbestimmung der mittels eines Sensorpixels 25 erfassten Oberflächenstelle 27. Diese Oberflächenstelle 27 liegt im Schnittpunkt zwischen der Projektionsachse 31 und der Bezugsebene 29, die der unregelmäßigen Schotteroberfläche 18 angenähert ist. Die Lage dieser Bezugsebene 29 im Koordinatensystem XYZ wird somit aus der mittels der Abstandsmesseinrichtung 23 erfassten Höhenlage h der Schotteroberfläche 18 abgeleitet.

[0044] Am Bildsensor 24 der Event-Kamera 22 sind die Sensorpixel 25 in einem zweidimensionalen Koordinatensystem angeordnet. Jedes Sensorpixel 25 weist in diesem Koordinatensystem eine erste Koordinate auf einer ersten Koordinatenachse a und eine zweite Koordinate auf einer zweiten Koordinatenachse b auf. Eine in der Auswerteeinrichtung 19 eingerichtete Koordinatentransformation ergibt die Position des jeweiligen Sensorpixels 25 im dreidimensionalen Koordinatensystem XYZ der Messeinrichtung 13. Über die bekannte Lage der Projektionsachse 31 des jeweiligen Sensorpixels 25 und die gemessene Höhenlage h der Schotteroberfläche 18 sind mittels der Auswerteinrichtung 19 auch die Koordinaten der erfassten Oberflächenstelle 27 im dreidimensionalen Koordinatensystem XYZ errechenbar. In weiterer Folge ist daraus die Anordnung des jeweiligen Gleisobjekts 12 in Form von Koordinaten bestimmbar.

[0045] In einer einfacheren Variante ist die Event-Kamera 22 direkt von oben auf die Schotteroberfläche gerichtet. Bei einem ausreichend großen Abstand zur Schotteroberfläche im Verhältnis zu vorgegebenen Hebewerten kann hier eine Bestimmung der Höhenlage h entfallen. Die Koordinaten der jeweils erfassten Stelle 27 ergeben sich direkt aus der Position der Event-Kamera 22 über die jeweilige Projektionsachse 31. Für die geometrischen Zusammenhänge wird

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ein konstanter Abstand zu einer fiktiven Schotteroberflächenebene 29 angenommen. Die Abstandsverringerung infolge des Hebevorgang 15 bleibt unberücksichtigt, weil eine entsprechende horizontale Verschiebung des Schnittpunktes der jeweiligen Projektionsachse 31 mit der fiktiven Schotteroberflächenebene 29 vernachlässigbar ist.

[0046] Fig. 5 zeigt eine Aufnahme 32 der Event-Kamera 22 mit einem ersten Erfassungszeitraum. Zu sehen sind während dieses Zeitraums erfasste Helligkeitsänderungen infolge eines Hebevorgangs 15 des Gleises 4, woraus Bewegungen der auf den Gleisbauteilen 12 lagernden Schotterkörner 11 resultieren. In der beispielhaften Darstellung dieser Aufnahme 32 geben die weißen Pixel eine erfasste Helligkeitsänderung von dunkel zu hell an. Erfasste Helligkeitsänderungen von hell zu dunkel sind durch schwarze Pixel dargestellt. Die gleichbleibend grauen Pixeln sind Gleisbereichen ohne erfasste Bewegungen zugeordnet. Die Darstellung der erfassten Daten ist jedoch flexibel umsetzbar. Beispielsweise können gleiche Rohdaten bei anderen Kumulierungszeiten zu anderen Darstellungen führen.

[0047] Bereits in dieser Aufnahme 32 zeichnet sich die Anordnung der jeweiligen Gleisschwelle 6 ab. Beispielsweise ist die Event-Kamera 22 auf den Bereich des Gleises 4 unterhalb des Stopfaggregats 10 gerichtet. Dann sind auch vibrierende Stopfpickel 33 in der Aufnahme 32 sichtbar. Anhand dieser Aufnahme 32 ist durch eine Bedienperson eine Positionierung des Stopfaggregats 10 über der sich abzeichnenden Gleisschwelle 6 durchführbar. Dazu ist beispielsweise in einer Bedienerkabine 34 ein Monitor zur Anzeige der aktuellen Aufnahme 32 eingerichtet.

[0048] In anderen bevorzugten Varianten ist die Event-Kamera 22 am Maschinenrahmen 2 oder am Hebeaggregat 8 angeordnet und schließt gegenüber der Bezugsebene 29 einen spitzen Blickwinkel & ein. Bei einer Anordnung der Event-Kamera 22 am Hebeaggregat 8 oder im Bereich des Hebeaggregats 8 ist die Blickrichtung bezüglich der Arbeitsrichtung 9 nach vorne gerichtet. Die Blickrichtung der Event-Kamera 22 kann aber auch bezüglich der Arbeitsrichtung 9 nach hinten gerichtet sein, wenn die Event-Kamera 22 vor dem Hebeaggregat 8 und insbesondere vor dem Stopfaggregat 10 befestigt ist. Jedenfalls ist die Event-Kamera 22 auf einen Beobachtungsbereich gerichtet, der innerhalb des mittels des Hebeaggregats 8 gehoben Gleisabschnitts liegt.

[0049] Für eine automatisierte Positionsbestimmung werden die Daten der Event-Kamera 22 mittels der Auswerteeinrichtung 19 weiterverarbeitet. Es erfolgt eine Auswertung der jeweils aktuellen Aufnahme 32 auf Basis des zweidimensionalen Koordinatensystems des Bildsensors 24. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Koordinatenursprung in der linken oberen Ecke der Aufnahme 32. Die ersten Koordinatenachse a zeigt nach rechts und die zweite Koordinatenachse b zeigt nach unten.

[0050] Die Auswertung zur Lageerfassung der Gleisschwellen 6 erfolgt im vorliegenden Beispiel entlang der zweiten Koordinatenachse b, weil die erste Koordinatenachse a und die Gleisschwellen 6 im Wesentlichen parallel zur Gleisquerrichtung ausgerichtet sind. Abstände zwischen den Gleisschwellen 6 ergeben sich unter Berücksichtigung der gegebenen Verzerrung entlang der Koordinatenachse b.

[0051] Deshalb werden zur Vereinfachung der Datenverarbeitung die Messsignale der Sensorpixel 25, die auf einer parallel zur ersten Koordinatenachse a verlaufenden Erfassungsachse 35 angeordnet sind, gemeinsam ausgewertet.

[0052] Jede Aufnahme 32 entsteht während eines vorgegebenen Erfassungszeitraums, der einer Kumulierungszeit für das Messsignal des jeweiligen Sensorpixels 25 entspricht. Dieser Erfassungszeitraum ist die Zeitspanne zwischen dem Beginn und dem Ende eines Aufnahmevorgangs, vergleichbar mit der Belichtungszeit einer herkömmlichen Kamera. Beispielsweise werden für die Kumulierung 20 Millisekunden vorgegeben. Wenn während dieses Erfassungszeitraums ein Sensorpixel 25 eine Helligkeitsveränderung detektiert, ist diesem Sensorpixel 25 ein Eventwert e gleich eins zugeordnet. Diese Eventwerte e sind in Fig. 5 eingezeichnet. Ansonsten bleibt der Eventwert des Sensorpixels 25 gleich null und die Aufnahme zeigt ein gleichbleibendes Grau. Ein längerer Erfassungszeitraum bewirkt in der Regel, dass mehr Sensorpixel 25 Events erfassen und somit mehr kumulierte Eventwerte e vorliegen.

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[0053] Für die weitere Auswertung werden alle entlang einer gemeinsamen Erfassungsachse 35 auftretenden Eventwerte e summiert. Resultat ist ein Verlauf eines summierten Eventwertes Ye entlang der zweiten Koordinate b, wie in Fig. 6 dargestellt. Dabei ist der Übersichtlichkeit halber in den Figuren 5 und 6 nur eine korrespondierende Erfassungsachse 35 eingezeichnet. Das Diagramm gemäß Fig. 6 ist ein beispielhaftes Ergebnis der automatisierten Datenverarbeitung mittels der Auswerteeinrichtung 23. Daraus ist insbesondere nach einer Filterung anhand lokaler Maximalwerte die Anordnung der jeweiligen Gleisschwellen 6 bestimmbar. Der jeweilige Abstand der Gleisschwellen 6 in Gleislängsrichtung 36 ergibt sich über die mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen geometrischen Beziehungen.

[0054] Fig. 7 zeigt eine weitere Aufnahme 32 der Event-Kamera 22 mit einem zweiten Erfassungszeitraum, der länger als der erste Erfassungszeitraum ist. Hier ist der Hebevorgang 15 bereits weiter fortgeschritten. Das entsprechende Diagramm der summierten Eventwerte Ye über der zweiten Koordinatenachse b ist in Fig. 8 dargestellt.

[0055] Bevorzugt werden für einen Auswertevorgang mehrere Aufnahmen 32 während eines Hebevorgangs 15 herangezogen. Dabei wird zunächst für jede Aufnahme 32 die Anordnung des jeweiligen Gleisbauteils 2 bestimmt und mittels statistischer Verfahren das wahrscheinlichste Resultat ermittelt.

[0056] In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Steuerungseinrichtung 37 zur synchronen Ansteuerung des Hebeaggregats 8 und der Messvorrichtung 13 angeordnet. Bevorzugt ist diese Steuerungseinrichtung 37 in einer Maschinensteuerung 38 der Gleisbaumaschine 1 integriert. Die Steuerungseinrichtung 37 aktiviert die Messvorrichtung 13, sobald mittels des Hebeaggregats 8 ein Hebevorgang 15 eingeleitet wird. Insbesondere erfolgt eine Auswertung mittels der Auswerteeinrichtung 23 erst dann, wenn der Hebevorgang 15 bereits eine vorgegebene Mindestzeit überschritten hat und eine gesteigerte Bewegung der Schotterkörner auftritt. Ein entsprechendes Resultat ist in den Figuren 7 und 8 ersichtlich.

[0057] Eine Kopplung der Messeinrichtung 13 mit der Maschinensteuerung 38 hat den zusätzlichen Vorteil, dass das Stopfaggregat 10 automatisiert über der jeweiligen Gleisschwelle 6 positionierbar ist. Eine Vorwärtsfahrt der Stopfmaschine oder eines Stopfsatelliten von Gleisschwelle 6 zu Gleisschwelle 6 erfolgt dabei auf Basis der mittels der Messeinrichtung 13 bestimmten Anordnung der eingeschotterten Gleisschwellen 6 bezüglich des mitbewegten Koordinatensystems XYZ.

[0058] Eine vereinfachte Positionierung des Stopfaggregats 10 ergibt sich, wenn die Event-Kamera 22 auf der Stopfmaschine in Gleismitte über dem Hebeaggregat 8 mit Blick in Arbeitsrichtung 9 angeordnet ist. Dann ergeben sich Aufnahmen 32 wie in den Figuren 5 oder 7. Aus den entsprechenden Diagrammen in den Figuren 6 und 8 ist dann direkt aus den Werten der zweiten Koordinatenachse b ein Weg-Steuersignal für die Stopfmaschine ableitbar. Dabei ist lediglich die Verzerrung infolge des spitzen Blickwinkels &« der Event-Kamera 22 und der daraus resultierenden perspektivischen Ansicht zu berücksichtigen. Mittels des Weg-Steuersignals erfolgt die Ansteuerung von Fahrantrieben 39, damit das Stopfaggregat 10 von Gleisschwelle 6 zu Gleisschwelle 6 bewegt wird.

Claims (15)

A ‚hes AT 527 931 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils (12), insbesondere einer Gleisschwelle (6), eines in einem Schotterbett (7) gelagerten Gleises (4), wobei ein Bereich (14) des Gleises (4) mittels einer optischen Sensoreinrichtung (17) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleis (4) im erfassten Bereich (14) mit dem unter Schotterkörnern (11) verborgenen Gleisbauteil (12) gehoben wird und dabei Schotterkörner (11) in ihrer Position verändert werden und dass die Anordnung des Gleisbauteils (12) anhand der mittels der Sensoreinrichtung (17) erfassten Positionsänderungen (16) der Schotterkörner (11) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsänderungen (16) der Schotterkörner (11) mittels einer Event-Kamera (22) erfasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Event-Kamera (22) jene Sensorpixel (25) eines Bildsensors (24) ein Messsignal ausgeben, welche eine Helligkeitsänderung an der zugeordneten Stelle (27) des erfassten Bereichs (14) detektieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils ausgegebene Messsignal einer Auswerteeinrichtung (19) zugeführt wird und dass in der Auswerteeinrichtung (19) über einen Erfassungszeitraum empfangene Messsignale zur Bestimmung der Lage des Gleisbauteils (12) ausgewertet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über den Erfassungszeitraum empfangene Messsignale der Sensorpixel (25) als Eventwerte (e) ausgewertet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale der Sensorpixel (25), die auf einer gemeinsamen Erfassungsachse (35), die insbesondere parallel zu einer Gleisquerrichtung ausgerichtet ist, angeordnet sind, als ein summierter Eventwert (Ye) ausgewertet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhenlage (h) einer Schotteroberfläche (18) in Bezug auf die Sensoreinrichtung (17) erfasst wird und dass die Anordnung des Gleisbauteils (12) insbesondere anhand eines Höhenprofils (21) der Schotterkörner bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (17) synchron zu einem Hebeaggregat (8) einer Gleisbaumaschine (1) angesteuert wird.

9. Messvorrichtung (13) zum Bestimmen der Anordnung eines Gleisbauteils (12), insbesondere einer Gleisschwelle (6), eines in einem Schotterbett (7) gelagerten Gleises (4), umfassend eine optische Sensoreinrichtung (17) zum Erfassen eines Bereichs (14) des Gleises (4) und eine Auswerteeinrichtung (19) zum Bestimmen der Anordnung anhand von Messsignalen der Sensoreinrichtung (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, während eines Hebevorgang (15) eines Abschnitts des Gleises (4) mit dem unter Schotterkörnern verborgenen Gleisbauteil (12) Positionsänderungen der Schotterkörner (11) zu erfassen und dass die Auswerteeinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, die Anordnung des Gleisbauteils (12) anhand der erfassten Positionsänderungen der Schotterkörner (11) zu bestimmen.

10. Messvorrichtung (13) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (17) eine Event-Kamera (22) umfasst.

11. Messvorrichtung (13) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (17) eine Abstandsmesseinrichtung (23), insbesondere einen Lidar-Sensor oder eine TOF-Kamera umfasst.

12. System mit einer Messvorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch ein Hebeaggregat (8) zum Heben eines Gleisabschnitts, auf den die Sensoreinrichtung (17) gerichtet ist.

13. System nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (37) zur synchronen Ansteuerung des Hebeaggregats (8) und der Messvorrichtung (13).

14. System nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Gleisbaumaschine (1), die mit Schienenfahrwerken (3) auf dem Gleis (4) verfahrbar ist und das Hebeaggregat (8) sowie die Messvorrichtung (13) umfasst.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisbaumaschine (1) ein Stopfaggregat (10) zum Unterstopfen von Gleisschwellen (6) umfasst, dass die jeweilige Gleisschwelle (6) eine mittels der Messvorrichtung (13) bestimmte Anordnung gegenüber der Gleisbaumaschine (1) aufweist und dass eine Maschinensteuerung (38) insbesondere zum automatischen Positionieren des Stopfaggregats (10) über der jeweiligen Gleisschwelle (6) eingerichtet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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