EP3789264B1 - Verfahren und vorrichtung zur schlupferkennung sowie schienenfahrzeug - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schlupferkennung sowie schienenfahrzeug Download PDF

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EP3789264B1
EP3789264B1 EP20191030.4A EP20191030A EP3789264B1 EP 3789264 B1 EP3789264 B1 EP 3789264B1 EP 20191030 A EP20191030 A EP 20191030A EP 3789264 B1 EP3789264 B1 EP 3789264B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
speed
wheelset
function
rail vehicle
slip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20191030.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3789264A1 (de
EP3789264C0 (de
Inventor
Lars Johannes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP3789264A1 publication Critical patent/EP3789264A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3789264B1 publication Critical patent/EP3789264B1/de
Publication of EP3789264C0 publication Critical patent/EP3789264C0/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0081—On-board diagnosis or maintenance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0058—On-board optimisation of vehicle or vehicle train operation

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a correction value while simultaneously excluding slip events on one or more axles of a ground-based vehicle.
  • the invention further relates to a device for carrying out such a method and to a ground-based vehicle with such a device.
  • Rail vehicles are ground-based vehicles for which a vehicle speed and a path derived from it must be determined precisely and safely in manual or automatic driving mode.
  • Speed sensors or path incremental encoders are generally used for this purpose, the latter of which are assigned to a wheel or wheelset of the rail vehicle.
  • sensors cannot directly detect a wheel skidding or sliding, so that the wheel can rotate faster or slower than the rail vehicle is actually traveling.
  • a speed measured by the sensors may not correspond to the current vehicle speed of the rail vehicle.
  • the term "correction factor" is also used below as a synonym for the correction value.
  • From the AU 2005234619 A1 is a method for controlling the speed of a rail vehicle and from the DE 10 2005 010 118 A1 A control device of a rail vehicle is known.
  • An object of the present invention is to provide a method for slip detection in a wheelset for a rail vehicle, which enables a reliable and precise determination of a vehicle speed of a rail vehicle and which can help to keep delays in the operation of the rail vehicle to a minimum.
  • a method for slip detection in a wheelset for a rail vehicle comprises detecting a plurality of measurement signals from the first and second speed sensors, each of which is representative of a speed of the first and second wheelset of the rail vehicle.
  • the method further comprises determining a respective speed value for the first and second wheelset, each as a function of a respective measurement signal from the first and second speed sensors, respectively.
  • the method further comprises forming speed value pairs, each with a determined speed value for the first and second wheelset.
  • the method further comprises comparing the respective speed values for the first and second wheelset of a formed speed value pair with one another and determining a uniform correction factor for all determined speed value pairs as a function of the comparison.
  • the method further comprises determining speed deviations based on the uniformly valid correction factor and determining slip of the first and/or second wheel set depending on the speed deviations.
  • the method also comprises, in multiple applications, determining a plurality of correction factor deviations depending on the determined correction factors and determining slip of the first and/or second wheel set based on the determined correction factor deviations.
  • the method comprises controlling a vehicle speed of the rail vehicle depending on the determined slip of the first and/or second wheel set.
  • Controlling the vehicle speed of the rail vehicle can in particular comprise providing a safety margin for a permissible vehicle speed of the rail vehicle depending on the determined slip, so that controlling the vehicle speed of the rail vehicle is also carried out depending on the provided safety margin.
  • the method comprises discarding one of the determined correction factors depending on the determined speed deviations per correction factor or correction factor deviation between correction factors, and controlling a vehicle speed of the rail vehicle depending on the remaining correction factors.
  • the determined speed deviations of the calculated correction factors and the correction factor deviations make it possible to precisely identify the phases and time ranges in which a wheel slip occurs.
  • a correction factor of around 1.1 there is a speed difference between the two wheel sets that would justify a correction factor of around 1.1. If a correction factor of, for example, 4 is determined for a short time, this correction factor deviates significantly from the others and can be identified as slip. For detection, a uniform correction factor, for example 2.55, is determined and gaps or deviations in the individual correction factors per difference are shifted into respective speed deviations. The further the deviation from the uniformly calculated correction value, the greater the speed deviations. The correction factors calculated one after the other for route sections and/or the speed deviations accordingly show a clear peak, which enables reliable slip detection. If the correction factors described were now averaged, this would cause an unjustified adjustment of the vehicle speed. A safety margin would incorrectly be applied to the vehicle speed.
  • determining the correction factor involves a regression analysis.
  • Statistical analysis methods can be used to achieve the best possible averaging of the determined correction factors, for example by minimizing the resulting speed deviations.
  • Such a regression analysis and compensation calculation can be based on the least squares method, for example.
  • the method comprises specifying a deviation threshold value for a tolerable speed deviation and comparing the determined speed deviations with the specified deviation threshold value.
  • the method accordingly also comprises determining a slip of the first and/or second wheel set depending on the comparison of the determined speed deviations with the specified deviation threshold value.
  • a slip range can thus be recognized on the basis of a tolerable speed deviation in the form of a deviation threshold value, which should not be exceeded in accordance with operation.
  • the first and the second speed sensor each have a position incremental encoder. Accordingly, determining a respective speed value for the first and the second wheel set comprises providing circumference values for a wheel of the first wheel set and a wheel of the second wheel set, to which one of the position incremental encoders is assigned to each. The method further comprises detecting a number of revolutions of the respective wheel of the first wheel set and the second wheel set and determining a respective speed value for the first wheel set and for the second wheel set depending on the respective circumference values provided and the respective detected number of revolutions.
  • determining a slip of the first and/or second wheel set as a function of the determined speed deviations includes recognizing slip-influenced and slip-uninfluenced areas of the first and/or second wheel set as a function of the determined correction factors and/or the determined speed deviations.
  • the control of a vehicle speed of the rail vehicle then also takes place as a function of the recognized slip-influenced and slip-uninfluenced areas of the first and/or second wheel set.
  • the method includes forming an arithmetic mean of the determined correction factors.
  • the control of a vehicle speed of the rail vehicle is therefore also carried out depending on the arithmetic mean of the correction factors formed.
  • the detected slip areas are not included in the formation of the arithmetic mean, so that a falsification of the averaging is counteracted.
  • another averaging method or another value formation method can be used for a summary correction factor, so that, for example, a weighting of the correction factors is also taken into account.
  • the arithmetic mean of the correction factors can also be stored for a subsequent travel cycle of the rail vehicle. Controlling a vehicle speed The rail vehicle is then controlled, for example, depending on the stored arithmetic mean of the correction factors and is loaded, for example, when operations start and is directly included in the control of the vehicle speed.
  • the described method and the described further developments of the method enable reliable and precise slip detection at a finely granular level. No additional sensors are required and no generous safety margins are required, which are included in advance in the speed and path calculation due to the possible occurrence of slip in order to counteract corresponding sliding or skidding processes using control technology. This means that no general safety margins are to be assumed and it can contribute to increased accuracy in determining the vehicle speed of the rail vehicle.
  • the method requires only two position incremental encoders that are mounted on non-mechanically coupled axles of the rail vehicle.
  • the vehicle speed and the travel path for the rail vehicle are determined using just two position incremental encoders.
  • Data on the wheel circumferences, for example, are provided.
  • the raw data recorded using the measurement signals from the position incremental encoders for the calculated speeds of the first and second wheel sets deviate from the actual vehicle speeds of the rail vehicle. These speed deviations can be accepted up to a specified size.
  • the described method and the further developments enable a high degree of usability regardless of the type of rail vehicle and the route it travels.
  • the method implements a generic approach and does not require any information about the route, such as longitudinal gradient. No information about a current acceleration or braking process is required either.
  • the described method and the further training also ensure a high level of acceptance among users, as no interaction on the part of the user is necessary.
  • the method can be carried out in an automated manner.
  • a performance gain for timetable compliance can be achieved due to reduced delays and higher line utilization.
  • the method provides a clear approach that can contribute to maintenance-friendly operation of a rail vehicle.
  • the method is cost-effective. Existing position incremental encoders can be used to carry out the method and the method can be combined with other approaches to detect systematic deviations, such as sliding and slipping processes in position incremental encoders. Considering the large number of rail vehicles used, significant cost savings can be achieved. In addition, the method is relatively future-proof, as there are few to no returns. are to be expected. Returns include customer complaints and manufacturer improvements.
  • the method described contributes in particular to improved accuracy in terms of skidding and skidding detection and meets high accuracy requirements in terms of determining vehicle speed. It enables the evaluation of highly redundant information through adjustment and statistical tests, among other things with the aim of calculating a correction factor with high accuracy and then automatically detecting systematic errors in order to be able to exclude them so that they are not included in the final correction factor determination. Furthermore, the method described enables a flexible accuracy target with regard to the scale and thus also the speed.
  • a further aspect of the invention relates to a device for detecting slip in a wheel set for a rail vehicle, which is designed to carry out one of the methods described above.
  • the device is implemented, for example, as an on-board computer or control unit of the rail vehicle, which has a computing unit and a data storage unit and enables evaluation and processing of the recorded measurement signals and the determined speed values.
  • a device is implemented as a backend or external server unit that can communicate with the rail vehicle using signals.
  • a rail vehicle comprises a first wheel set and a second wheel set which are mechanically decoupled from each other.
  • the wheel sets are coupled via one or more car bodies of the rail vehicle, but there is no direct mechanical coupling between the wheel sets, for example by means of a transmission.
  • the rail vehicle further comprises a first speed sensor and a second speed sensor which are connected to a are assigned to the respective wheel set.
  • the speed sensors each have a position incremental encoder and the measurement signals from the speed sensors are each representative of a speed of the first wheel set and the second wheel set.
  • the rail vehicle also has the device described above, which is coupled to the speed sensors in terms of signal technology.
  • Figure 1 shows a schematic side view of a rail vehicle 1 with a control unit 3, which is coupled in terms of signal technology to a first speed sensor 5 and a second speed sensor 6.
  • the speed sensors 5 and 6 are position incremental encoders for the wheel sets 7 and 8.
  • the wheel sets 7 and 8 have respective wheels and axles that are not mechanically directly coupled to one another.
  • the speed sensors 5 and 6 enable the detection of measurement signals that are each representative of a speed of the first wheel set 7 and the second wheel set 8 of the rail vehicle 1.
  • the position incremental encoders mounted on the axles can be used to advantage to enable reliable and precise detection of sliding and skidding of the wheels of the first and/or second wheel sets 7 and 8.
  • a method for slip detection in one of the wheel sets 7, 8 for the rail vehicle 1 can be carried out in accordance with Figure 2 or the one in Figure 3 shown flow chart in the control unit 3.
  • a step S1 a plurality of measurement signals of the first speed sensor 5 and the second speed sensor 6 are detected.
  • a respective speed value for the first wheel set 7 is determined depending on a respective measurement signal from the first speed sensor 5 and a respective speed value for the second wheel set 8 is determined depending on a respective measurement signal from the second speed sensor 6. Furthermore, speed value pairs are formed, each with a determined speed value for the first and second wheel sets 7, 8. If a predetermined number of usable speed value pairs have been determined or formed, the method is continued in a step S3. For example, every half second a measurement signal from the first and second speed sensors 5 and 6 is recorded for a period of one minute, so that 120 speed value pairs are formed.
  • step S3 the respective speed values for the first and second wheel sets 7, 8 of a respective speed value pair are compared with each other and a correction factor is determined for all speed value pairs depending on the comparison.
  • step S4 speed deviations are determined depending on the determined correction factor.
  • a statistical model can be used for the evaluation.
  • a regression analysis or a compensation calculation is carried out, which is based, for example, on the method of least squares, which carries out a minimization method with regard to the smallest possible deviation of the determined speed deviations with regard to a correction factor for all pairs of values.
  • v_measured_Sensor1_i correction factor * v_measured_Sensor2_i.
  • the mathematical value "correction factor” only exists once and is automatically set by the minimization method.
  • step S5 a slip of the first and/or second wheel set 7, 8 is determined as a function of the determined deviations for the measured speeds with respect to a calculated correction factor and the vehicle speed of the rail vehicle 1 is controlled as a function of the detected slip, taking into account the previously calculated correction factor.
  • step S1 it is checked whether the default conditions of the variables to be processed are met. If this is not the case, the process continues in a step S2. If the default conditions are met, the process continues in step S3.
  • step S3 measurement signals from the position incremental encoders are recorded and speed values for the respective axles or wheel sets 7 and 8 are determined. Furthermore, speed value pairs are formed, each containing a speed value for the first and second wheel sets. If a predetermined number of evaluable speed value pairs have been formed, the method is continued in step S5. Otherwise, the method is terminated or started again in step S1.
  • a k PSSA section factor is determined or adjusted.
  • the k PSSA section factor represents a correction factor that is calculated for all pairs of measured values, for example 120 pairs of measured values that form a section, by minimizing the speed deviations with respect to a sensor.
  • the correction factor k PSSA section factor is estimated or calculated by the adjustment.
  • the acronym "PSSA" refers to the English term “pseudo static scale adjustment" and can be referred to in German as pseudo-static scaling adjustment.
  • a step S7 the mathematical and stochastic model underlying the adjustment is checked.
  • the mathematical model includes the assumption that there is only one scale factor k PSSA-Section for, for example, all 120 velocity pairs and the stochastic model includes the Assumption regarding the accuracy of the measured speeds.
  • the accuracy of the correction factor calculated from the previous step S5 is compared with a predetermined threshold value. If a desired accuracy is met and the assumptions in the mathematical and stochastic model are not refuted, the process can be continued in a step S9. If a desired accuracy is not met and/or the assumptions of the model tests are refuted, the process is continued in a step S8.
  • step S8 the current data and determined speed values are discarded. The process is terminated and restarted when new speed values arrive in step S1.
  • step S9 it is checked whether kfactorsInSeries are available. For example, kfactorsInSeries has the value 3 here. If valid correction factors have been calculated 3 times in a row, the process continues in step S11. Otherwise, the correction factor k PSSA-Section is saved, the process is terminated and then restarted in step S1 when new measured values arrive.
  • the variables k compositionsInSeries represent a number of valid correction factors calculated one after the other.
  • a correction factor is calculated from, for example, 120 pairs of values. It can happen that a valid correction factor was calculated in the first minute and none in the following minute. Then there is a valid correction factor. However, 3 are needed to continue the process. In the third minute, for example, a valid one is calculated. If 3 are available, the process continues.
  • step S11 all possible combinations of two of the determined k PSSA section factors are set up. With three k PSSA section factors, there are 3 combinations of two: 12, 13 and 23.
  • a step S13 it is checked whether the calculated correction factors of the respective combinations are the same in the sense of agreeing within tolerable deviations. This includes comparing the determined correction factors. If the correction factors agree within a specified tolerance range, the process is continued in a step S15. Otherwise, the process is terminated and started again in step S1.
  • Each combination comprises two different correction factors that are compared with each other. With a value of 3 for the kfactorsInSeries, there are 3 independently calculated correction factors that can have been created within 3 minutes or extend over a longer period of time, for example 148 minutes.
  • step S15 an arithmetic mean is calculated and the k PSSA factor is provided for a real-time method for skidding and spin exclusion.
  • the k PSSA factor is the arithmetic mean of the k PSSA section factors . If the value for the kfactorsInSeries is 3, there are exactly 3 of them.
  • the described method relates to a quasi-static scaling adjustment and is preferably used in conjunction with a method for sliding and spin exclusion.
  • the control unit 3 implements a processing unit that enables a scale of the position incremental encoder to a referencing position incremental encoder.
  • the algorithmic relationships between different variables shown in the slip detection are taken into account as follows:
  • the first, topmost graph according to Figure 4 shows the vehicle speed of the rail vehicle 1 over time according to the measurement signals of the first and second position incremental encoder.
  • One of the two position incremental encoders functions as a reference incremental encoder.
  • the second graph according to Figure 4 shows a corresponding temporal representation of the calculated k PSSA section factors.
  • the representation indicates that only speed value pairs are considered for further processing which have a value that is greater than a predetermined threshold value v PSSA limit .
  • the v PSSA limit is a threshold value.
  • measured value pairs are only formed if both measured speeds are above this value.
  • a correction factor can be calculated with high accuracy if the vehicle is traveling fast enough. If the 120 measured value pairs of a section were also filled with low speeds, the target accuracy for k PSSA factor in step S7 might not be achieved.
  • the third graph shows whether the k PSSA factors of the combinations are equal (point below the upper line) or unequal (point above the upper line). Each point represents a combination.
  • the lower lines or lines in the lower area of the third graph show whether the k PSSA factor is generally valid, see S7, to be used for combination formation. If there is no line in the area, this means that the corresponding factor should not be processed further.
  • the lower line or line is derived from the other graphs, the fourth and fifth graphs, which Figure 4 If there are lines below the solid line, a corresponding lower line is drawn in the third graph.
  • the fourth graph shows the statistically determined deviation according to a statistical test based on the results of the least squares method ( ⁇ 2 test). A test for each area is fulfilled if the specified limit or the specified deviation threshold (visualized by a solid line) is not exceeded by the determined values (illustrated as individual line sections).
  • the sixth graph shows that the k PSSA-Section factor deviates significantly from zero.
  • the k PSSA-Section factor corresponds to the correction factor described above.
  • the relationships shown in the third graph are relevant for the method described.
  • the line sections shown below the points show the range of k PSSA section factors that satisfy the mathematical stochastic model analysis and a specified accuracy. These k PSSA section factors are used to compare the correction factors. Outliers are discarded and not taken into account.
  • the points corresponding to the k PSSA-Section factors are arranged in the third graph below the upper solid line.
  • the areas used for this comparison are the line sections shown below the points that are assigned to the k factorsInSeries .
  • the k PSSA section factors are the correction factors; correction factor deviations are generally only calculated for non-linear problems in order to iteratively arrive at the correct correction factor. In this case, however, it is a linear problem, see equation, where the correction factor is calculated directly. This calculation creates deviations in the measured speeds of a sensor because, for example, there can only be one correction factor for 120 pairs of values. These deviations are used to determine whether slippage (sliding/skidding) occurs and the section is then discarded (steps S7 and S8). For example, it is necessary to ask how much speed should be added to or subtracted from the first sensor, for example, so that the speed of the reference sensor is multiplied by the correction factor.
  • One optimization criterion is the minimization of such deviations squared. However, other criteria are also acceptable for an optimization calculation, such as absolute values.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Korrekturwertes unter gleichzeitigem Ausschluss von Schlupfereignissen auf einer oder mehr Achsen eines bodengebundenen Fahrzeuges. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie ein bodengebundenes Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
  • Schienenfahrzeuge sind bodengebundene Fahrzeuge, für die in einem manuellen oder automatischen Fahrbetrieb eine Fahrzeuggeschwindigkeit und ein daraus ableitbarer Weg genau und sicher bestimmt werden müssen. Dabei werden in der Regel Geschwindigkeitssensoren oder Weginkrementalgeber eingesetzt, die bei zuletzt genannten einem Rad bzw. Radsatz des Schienenfahrzeugs zugeordnet sind. Solche Sensoren können allerdings ein Schleudern oder Gleiten eines Rads nicht direkt erfassen, sodass sich das Rad schneller drehen kann oder langsamer dreht als das Schienenfahrzeug tatsächlich fährt. Somit entspricht eine mittels der Sensoren gemessene Geschwindigkeit gegebenenfalls nicht einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Als Korrekturwert wird im Folgenden auch der Begriff "Korrekturfaktor" gleichbedeutend verwendet.
  • Aus der AU 2005234619 A1 ist ein Verfahren zur Geschwindigkeitskontrolle eines Schienenfahrzeugs und aus der DE 10 2005 010 118 A1 ist eine Steuereinrichtung eines Schienenfahrzeugs bekannt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine ein Verfahren zur Schlupferkennung bei einem Radsatz für ein Schienenfahrzeug zu schaffen, das ein zuverlässiges und präzises Ermitteln einer Fahrzeuggeschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs ermöglicht und das dazu beitragen kann, Verspätungen in einem Betrieb des Schienenfahrzeugs gering zu halten.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Schlupferkennung bei gleichzeitiger Berechnung von Korrekturwerten verschiedener Achsen für ein bodengebundenes Fahrzeug, hier Schienenfahrzeug gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Schlupferkennung bei einem Radsatz für ein Schienenfahrzeug, dem ein erster Radsatz mit einem ersten Geschwindigkeitssensor und ein zweiter Radsatz mit einem zweiten Geschwindigkeitssensor zugeordnet sind, ein Erfassen einer Mehrzahl von Messsignalen des ersten und des zweiten Geschwindigkeitssensors, die jeweils repräsentativ sind für eine Geschwindigkeit des ersten und des zweiten Radsatzes des Schienenfahrzeugs. Das Verfahren umfasst weiter ein Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten und für den zweiten Radsatz jeweils in Abhängigkeit von einem jeweiligen Messsignal des ersten bzw. des zweiten Geschwindigkeitssensors. Das Verfahren umfasst weiter ein Bilden von Geschwindigkeitswertpaaren mit jeweils einem ermittelten Geschwindigkeitswert für den ersten und den zweiten Radsatz. Das Verfahren umfasst weiter ein Vergleichen der jeweiligen Geschwindigkeitswerte für den ersten und den zweiten Radsatz eines gebildeten Geschwindigkeitswertpaares miteinander und ein Ermitteln eines einheitlichen Korrekturfaktors für alle ermittelten Geschwindigkeitswertpaare in Abhängigkeit von dem Vergleichen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ermitteln von Geschwindigkeitsabweichungen basierend auf den einheitlich gültigen Korrekturfaktor und ein Ermitteln von Schlupf des ersten und/oder zweiten Radsatzes in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsabweichungen. Das Verfahren umfasst in mehrmaliger Anwendung außerdem ein Ermitteln von mehreren Korrekturfaktorabweichungen in Abhängigkeit von den ermittelten Korrekturfaktoren und ein Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes basierend auf den ermittelten Korrekturfaktorabweichungen.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine zuverlässige Erkennung eines Gleitens oder Schleuderns eines Radsatzes möglich und es kann zu einer genauen Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit beigetragen werden. Das Verfahren ermöglicht eine robuste relative Maßstabsbestimmung oder Korrekturfaktorbestimmung mit zuverlässigem Gleit- und Schleuderausschluss. Eine solche Korrekturfaktorbestimmung berücksichtigt die ermittelten Korrekturfaktoren verschiedener Streckenabschnitte und die dabei entstehenden Geschwindigkeitsabweichungen. Auf diese Weise können Schlupfbereiche in Form von Ausreißern aufgrund von dabei berechneten Geschwindigkeitsabweichungen sowie Korrekturfaktoren zuverlässig erkannt werden. Dabei ermöglichen die Korrekturfaktoren und Korrekturfaktorabweichungen das Ermitteln von Geschwindigkeitsabweichungen eines Radsatzes, um eine Gleichheit in Bezug auf die Geschwindigkeit der Radsätze bei Verwendung des Korrekturfaktors zu erhalten.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Schlupf des ersten und/oder zweiten Radsatzes. Das Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs kann insbesondere ein Bereitstellen eines Sicherheitsaufschlags für eine zulässige Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs in Abhängigkeit von dem ermittelten Schlupf umfassen, sodass das Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs auch in Abhängigkeit von dem bereitgestellten Sicherheitsaufschlag durchgeführt wird.
  • Für bodengebundene Fahrzeuge, wie Schienenfahrzeuge, ist es sowohl in einem manuellen als auch in einem automatischen Fahrbetrieb erforderlich, die Fahrzeuggeschwindigkeit und den daraus ableitbaren Fahrweg genau und sicher zu bestimmen. Dies kann zum Beispiel mit Einsatz von Weginkrementalgebern erreicht werden, die einem jeweiligen Rad oder Radsatz eines Schienenfahrzeugs zugeordnet sind. Es ist eine Erkenntnis im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass auch mittels solcher Sensoren, ein Gleiten oder Schleudern eines Radsatzes nicht immer zuverlässig erkannt wird. Das Rad des Radsatzes kann sich zum Beispiel schneller drehen als das Schienenfahrzeug wirklich fährt (Schleudern) oder es dreht sich langsamer als das Schienenfahrzeug fährt (Gleiten). Bei Weginkrementalgebern wird in der Regel mit Hilfe des Durchmessers und dem daraus abgeleiteten Umfang des Rades auf den zurückgelegten Weg bzw. die Geschwindigkeit des Rades und des Schienenfahrzeugs geschlossen. Ändert sich der Raddurchmesser eines Rades, so ändert sich die aus den Radumdrehungen berechnete Rad- und Fahrzeuggeschwindigkeit. Ursachen für die fehlerhafte oder ungenaue Raddurchmesserbestimmung sind zum Beispiel:
    • Ungenaue Messung des Raddurchmessers
    • Abnutzung während der Fahrt
    • Änderung des Reifeninnendrucks, zum Beispiel bei Gummibereifung
    • Beladung, vornehmlich bei Gummibereifung.
  • Ändert sich eine Geschwindigkeitsbestimmung, zum Beispiel aufgrund eines fehlerhaften oder ungenauen Raddurchmessers, so werden Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen verschiedenen Weginkrementalgebern verursacht. Solche Differenzen können fälschlicherweise als Gleiten oder Schleudern interpretiert und als angeblich anliegender Schlupf behandelt werden. Unter eine Annahme, dass ein Schlupf anliegt, werden vorgegebene Sicherheitsaufschläge für Geschwindigkeitsintervalle erhöht, da eine wirkliche Fahrzeuggeschwindigkeit schlechter abgeschätzt werden kann. Dies begründet eine fälschlicherweise sicherheitsbedingte Reduktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, sodass das Schienenfahrzeug nun langsamer fährt und erhebliche Verspätungen verursacht werden können.
  • Für eine zuverlässige Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und einen sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs ist es daher vorteilhaft, einen eventuell auftretenden Schlupf (Gleiten oder Schleudern) des Rades oder des Radsatzes zuverlässig zu erkennen und in ein Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit mit einfließen zu lassen. Mittels des beschriebenen Verfahrens ist eine zuverlässige Schlupferkennung durchführbar, sodass Verspätungen eines Schienenfahrzeugs entgegengewirkt und zu einem planmäßigen und pünktlichen Betrieb des Schienenfahrzeugs beigetragen werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Verwerfen eines der ermittelten Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen pro Korrekturfaktor bzw. Korrekturfaktorabweichung zwischen Korrekturfaktoren, und ein Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs in Abhängigkeit von den verbleibenden Korrekturfaktoren. Die ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen der berechneten Korrekturfaktoren sowie die Korrekturfaktorabweichungen ermöglichen es, genau die Phasen und Zeitbereiche zu erkennen, in denen ein Schlupf eines Rades auftritt.
  • Beispielsweise besteht eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den beiden Radsätzen, die einen Korrekturfaktor von etwa 1,1 begründen würde. Wird nun kurzeitig ein Korrekturfaktor von beispielsweise 4 ermittelt, sodass weicht dieser Korrekturfaktor deutlich von den anderen ab und kann als Schlupf festgestellt werden. Für die Erkennung wird dabei ein einheitlicher Korrekturfaktor, beispielsweise von 2,55 ermittelt und Klaffungen oder Abweichungen der einzelnen Korrekturfaktoren pro Differenz in jeweilige Geschwindigkeitsabweichungen verlagert. Je weiter von dem einheitlich berechneten Korrekturwert abgewichen wird, desto größer die Geschwindigkeitsabweichungen. Die nacheinander berechneten Korrekturfaktoren für Streckenabschnitte und/oder die Geschwindigkeitsabweichungen weisen entsprechend einen deutlichen Peak auf, welcher eine zuverlässige Schlupferkennung ermöglicht. Würde nun eine Mittelung der beschriebenen Korrekturfaktoren durchgeführt, würde dies eine unbegründete Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit veranlassen. Ein Sicherheitsaufschlag würde fälschlicherweise auf die Fahrzeuggeschwindigkeit angesetzt.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens können solche durch Schlupf begründete Ausreißer zuverlässig erkannt und zutreffend bewertet werden. Dadurch, dass zum Beispiel ein solcher Wert des Korrekturfaktors verworfen wird, fließt dieser nicht weiter in die Auswertung mit ein und die Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und ein Sicherheitsaufschlag können gezielt abgestimmt werden.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Ermitteln des Korrekturfaktors eine Regressionsanalyse. Dabei können statistische Analyseverfahren eingesetzt werden, die zum Ziel haben, eine bestmögliche Mittelung der bestimmten Korrekturfaktoren zu erreichen durch bspw. eine Minimierung der dadurch entstehenden Geschwindigkeitsabweichungen einzurichten. Eine solche Regressionsanalyse und Ausgleichsrechnung kann zum Beispiel auf der Methode der kleinsten Quadrate basieren.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens oder einer der beschriebenen Weiterbildungen des Verfahrens umfasst das Verfahren ein Vorgeben eines Abweichungsschwellenwerts für eine tolerierbare Geschwindigkeitsabweichung und ein Abgleichen der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen mit dem vorgegebenen Abweichungsschwellenwert. Das Verfahren umfasst demgemäß ferner ein Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes in Abhängigkeit von dem Abgleichen der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen mit dem vorgegebenen Abweichungsschwellenwert. Insbesondere kann somit das Erkennen eines Schlupfbereichs auf Basis einer tolerierbaren Geschwindigkeitsabweichung in Form eines Abweichungsschwellenwertes erfolgen, welcher betriebsgemäß nicht überschritten werden sollte.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens oder einer der beschriebenen Weiterbildungen des Verfahrens weisen der erste und der zweite Geschwindigkeitssensor jeweils einen Weginkrementalgeber auf. Demgemäß umfasst das Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten und für den zweiten Radsatz ein Bereitstellen von Umfangwerten für ein Rad des ersten Radsatzes und ein Rad des zweiten Radsatzes, denen jeweils einer der Weginkrementalgeber zugeordnet ist. Das Verfahren umfasst weiter ein Erfassen einer Umdrehungszahl des jeweiligen Rades des ersten Radsatzes und des zweiten Radsatzes und ein Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten Radsatz und für den zweiten Radsatz in Abhängigkeit von den jeweils bereitgestellten Umfangswerten und der jeweils erfassten Umdrehungszahl.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens oder einer der beschriebenen Weiterbildungen des Verfahrens umfasst das Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes in Abhängigkeit von den ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen ein Erkennen von schlupfbeeinflussten und schlupfunbeeinflussten Bereichen des ersten und/oder zweiten Radsatzes in Abhängigkeit von den ermittelten Korrekturfaktoren und/oder den ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen. Das Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs erfolgt daraufhin auch in Abhängigkeit von den erkannten schlupfbeeinflussten und schlupfunbeeinflussten Bereichen des ersten und/oder zweiten Radsatzes.
  • Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens oder einer der beschriebenen Weiterbildungen des Verfahrens umfasst das Verfahren ein Bilden eines arithmetischen Mittels der ermittelten Korrekturfaktoren. Das Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs erfolgt demgemäß auch in Abhängigkeit von dem gebildeten arithmetischen Mittel der Korrekturfaktoren. Insbesondere werden die erkannten Schlupfbereiche beim Bilden des arithmetischen Mittels nicht mit einbezogen, sodass einem Verfälschen der Mittelung entgegengewirkt wird. Alternativ ist auch eine andere Mittelungsmethode oder eine andere Wertbildungsmethode für einen zusammenfassenden Korrekturfaktor einsetzbar, sodass zum Beispiel eine Gewichtung der Korrekturfaktoren mitberücksichtigt wird.
  • Das arithmetische Mittel der Korrekturfaktoren kann ferner für einen nachfolgenden Fahrtzyklus des Schienenfahrzeugs gespeichert werden. Das Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs erfolgt dann zum Beispiel in Abhängigkeit von dem gespeicherten arithmetischen Mittel der Korrekturfaktoren und wird beispielsweise bei einem Betriebsstart geladen und direkt mit in das Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit einbezogen.
  • Das beschriebene Verfahren sowie die beschriebenen Weiterbildungen des Verfahrens ermöglichen eine zuverlässige und präzise Schlupferkennung auf fein granularem Level. Es werden keine zusätzlichen Sensoren benötigt und es bedarf keiner großzügigen Sicherheitsaufschläge, die wegen eines eventuellen Auftretens von Schlupf im Vorhinein mit in der Geschwindigkeits- und in der Wegberechnung miteinbezogen werden, um entsprechenden Gleit- oder Schleudervorgängen steuertechnisch zu entgegnen. Es sind somit keine pauschalen Sicherheitsaufschläge anzunehmen und es kann zu einer erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs beigetragen werden.
  • Das Verfahren benötigt zum Beispiel lediglich zwei Weginkrementalgeber, die an nicht mechanisch gekoppelten Achsen des Schienenfahrzeugs montiert sind. Mit Hilfe von nur zwei Weginkrementalgebern werden die Fahrzeuggeschwindigkeit und der Fahrweg für das Schienenfahrzeug bestimmt. Daten bezüglich der Radumfänge werden zum Beispiel bereitgestellt. Da die Radumfänge allerdings nur begrenzt genau bekannt sind, weichen die mittels der Messsignale der Weginkrementalgeber erfassten Rohdaten für die berechneten Geschwindigkeiten des ersten und zweiten Radsatzes von der realen Fahrzeuggeschwindigkeiten des Schienenfahrzeugs ab. Diese Geschwindigkeitsabweichungen können bis zu einer vorgegebenen Größe hingenommen werden.
  • Für eine zuverlässige Schlupferkennung sind diese Abweichungen aber eventuell zu groß und werden bestimmt und anschließend rausgerechnet. Daraufhin kann eine besonders präzise und zuverlässige Schlupferkennung erfolgen. Die Erkennung von Schlupf ermöglicht es insbesondere, schlupfbeeinflusste von nicht schlupfbeeinflussten Bereichen zu trennen. In nicht schlupfbeeinflussten Bereichen können pauschalen Sicherheitsaufschläge in Bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit für ein mögliches Auftreten von Schlupf, welcher konventionell nicht oder nicht ausreichend genau bestimmbar war, erheblich verringert werden. Schienenfahrzeuge, wie Züge, können dann pünktlich nach Fahrplan fahren oder zumindest können unerwünschte Verzögerungen in einem Fahrbetrieb reduziert werden.
  • Das beschriebene Verfahren sowie die Weiterbildungen ermöglichen eine hohe Einsetzbarkeit unabhängig von einem Fahrzeugtyp eines Schienenfahrzeugs und einer Strecke, die von diesem befahren wird. Das Verfahren realisiert einen generischen Ansatz und bedarf keiner Informationen über den Streckenverlauf, wie Längsneigung. Auch sind keine Informationen über einen momentanen Beschleunigungs- oder Bremsverlauf erforderlich.
  • Das beschriebene Verfahren sowie die Weiterbildungen stellen ferner eine hohe Akzeptanz bei einem Anwender bereit, da keine Interaktion von Seiten des Anwenders notwendig ist. Das Verfahren kann insbesondere automatisiert durchgeführt werden. Darüber hinaus ist ein Performanzgewinn für eine Fahrplaneinhaltung aufgrund reduzierbarer Verspätungen und höherer Streckenauslastung erzielbar. Zudem wird mittels des Verfahrens ein übersichtlicher Ansatz bereitgestellt, welcher zu einem wartungsfreundlichen Betrieb eines Schienenfahrzeugs beitragen kann.
  • Außerdem ist das Verfahren kostengünstig durchführbar. Bereits vorhandene Weginkrementalgeber können zum Durchführen des Verfahrens eingesetzt werden und das Verfahren kann mit weiteren Ansätzen zur Erkennung von systematischen Abweichungen, wie Gleit- und Schlupfvorgängen bei Weginkrementalgebern kombiniert werden. In Bezug auf die Vielzahl eingesetzter Schienenfahrzeuge kann eine signifikante Kosteneinsparung ermöglicht werden. Zudem ist durch das Verfahren eine relativ hohe Zukunftssicherheit gegeben, da geringe bis keine Rückläufer zu erwarten sind. Mit Rückläufern sind unter anderem kundenseitige Beanstandungen und herstellerseitige Nachbesserungen bezeichnet.
  • Das beschriebene Verfahren trägt insbesondere zu einer verbesserten Genauigkeit in Bezug auf eine Gleit- und Schleudererkennung bei und erfüllt hohe Genauigkeitsanforderungen in Bezug auf eine Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Es ermöglicht die Auswertung hoch redundanter Informationen, durch Ausgleichung und statistische Tests, unter anderem mit dem Ziel einen Korrekturfaktor mit hoher Genauigkeit zu berechnen und dann systematische Fehler automatisch aufzudecken, um sie ausschließen zu können, damit sie nicht in die finale Korrekturfaktorbestimmung mit einfließen. Ferner ist mittels des beschriebenen Verfahrens ein flexibles Genauigkeitsziel hinsichtlich des Maßstabes und damit auch der Geschwindigkeit möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schlupferkennung bei einem Radsatz für ein Schienenfahrzeug, die dazu eingerichtet ist, eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die Vorrichtung ist zum Beispiel als Bordcomputer oder Steuereinheit des Schienenfahrzeugs realisiert, welche eine Recheneinheit und einen Datenspeicher aufweist und ein Auswerten und Verarbeiten der erfassten Messsignale und der ermittelten Geschwindigkeitswerte ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich ist eine solche Vorrichtung als Backend oder externe Servereinheit realisiert, die mit dem Schienenfahrzeug signaltechnisch kommunizieren kann.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Schienenfahrzeug einen ersten Radsatz und einen zweiten Radsatz, die mechanisch voneinander entkoppelt sind. Die Radsätze sind über einen oder mehrere Wagenkästen des Schienenfahrzeugs gekoppelt, aber es besteht keine direkte mechanische Kopplung zwischen den Radsätzen, zum Beispiel mittels eines Getriebes. Das Schienenfahrzeug umfasst weiter einen ersten Geschwindigkeitssensor und einen zweiten Geschwindigkeitssensor, die einem jeweiligen Radsatz zugeordnet sind. Die Geschwindigkeitssensoren weisen jeweils einen Weginkrementalgeber auf und die Messsignale der Geschwindigkeitssensoren sind jeweils repräsentativ für eine Geschwindigkeit des ersten Radsatzes und des zweiten Radsatzes. Ferner weist das Schienenfahrzeug die zuvor beschriebene Vorrichtung auf, die signaltechnisch mit den Geschwindigkeitssensoren gekoppelt ist.
  • Dadurch, dass die Vorrichtung und das Schienenfahrzeug dazu eingerichtet sind, eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen, sind beschriebene Eigenschaften und Merkmale des Verfahrens auch für die Vorrichtung und für das Schienenfahrzeug offenbart und umgekehrt.
  • Die oben genannten Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den entsprechenden Figuren weitergehend erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer Vorrichtung zur Schlupferkennung für mindestens ein Radsatz des Schienenfahrzeugs,
    Figur 2
    ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Schlupferkennung für mindestens ein Radsatz des Schienenfahrzeugs,
    Figur 3
    ein weiteres Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Schlupferkennung für mindestens ein Radsatz des Schienenfahrzeugs, und
    Figur 4
    beispielhafte algorithmische Zusammenhänge zum Verarbeiten bei der Durchführung des Verfahrens zur Schlupferkennung.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Schienenfahrzeug 1 mit einer Steuereinheit 3, die signaltechnisch mit einem ersten Geschwindigkeitssensor 5 und einem zweiten Geschwindigkeitssensor 6 gekoppelt ist. Die Geschwindigkeitssensoren 5 und 6 sind Weginkrementalgeber für den Radsatz 7 und 8. Die Radsätze 7 und 8 weisen jeweilige Räder und Achsen auf, die mechanisch nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Die Geschwindigkeitssensoren 5 und 6 ermöglichen ein Erfassen von Messsignalen, die jeweils repräsentativ sind für eine Geschwindigkeit des ersten Radsatzes 7 und des zweiten Radsatzes 8 des Schienenfahrzeugs 1. Wie nachfolgend erläutert wird, können die an den Achsen montierten Weginkrementalgeber nutzbringend dazu eingesetzt werden, um ein zuverlässiges und präzises Erkennen von Gleiten und Schleudern der Räder des ersten und/oder zweiten Radsatzes 7 und 8 zu ermöglichen.
  • Ein Verfahren zur Schlupferkennung bei einem der Radsätze 7, 8 für das Schienenfahrzeug 1 kann gemäß dem in Figur 2 oder dem in Figur 3 gezeigten Ablaufdiagramm in der Steuereinheit 3 durchgeführt werden. In einem Schritt S1 wird eine Mehrzahl von Messsignalen des ersten Geschwindigkeitssensors 5 und des zweiten Geschwindigkeitssensors 6 erfasst.
  • In einem Schritt S2 werden ein jeweiliger Geschwindigkeitswert für den ersten Radsatz 7 in Abhängigkeit von einem jeweiligen Messsignal des ersten Geschwindigkeitssensors 5 und ein jeweiliger Geschwindigkeitswert für den zweiten Radsatz 8 in Abhängigkeit von einem jeweiligen Messsignal des zweiten Geschwindigkeitssensors 6 ermittelt. Ferner werden Geschwindigkeitswertpaare mit jeweils einem ermittelten Geschwindigkeitswert für den ersten und den zweiten Radsatz 7, 8 gebildet. Ist eine vorgegebene Anzahl an verwertbaren Geschwindigkeitswertpaaren ermittelt bzw. gebildet worden, so wird das Verfahren in einem Schritt S3 fortgeführt. Zum Beispiel wird jede halbe Sekunde jeweils ein Messsignal des ersten und zweiten Geschwindigkeitssensors 5 und 6 für einen Zeitraum von einer Minute aufgenommen, sodass 120 Geschwindigkeitswertpaare gebildet werden.
  • In dem Schritt S3 erfolgt ein Vergleichen der jeweiligen Geschwindigkeitswerte für den ersten und den zweiten Radsatz 7, 8 eines jeweils gebildeten Geschwindigkeitswertpaares miteinander und ein Ermitteln eines Korrekturfaktors für alle Geschwindigkeitswertpaare in Abhängigkeit von dem Vergleich.
  • In einem Schritt S4 werden Geschwindigkeitsabweichungen in Abhängigkeit von dem ermittelten Korrekturfaktor bestimmt. Dabei kann insbesondere ein statistisches Model zur Auswertung herangezogen werden. Insbesondere erfolgt in dem Schritt S4 eine Regressionsanalyse oder eine Ausgleichsrechnung, die zum Beispiel auf der Methode der kleinsten Quadrate basiert, welche eine Minimierungsmethode in Bezug auf die kleinstmögliche Abweichung der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen bezüglich eines Korrekturfaktors für alle Wertepaare durchführt.
  • Zum Beispiel lassen sich für jedes ermittelte Geschwindigkeitspaar folgende mathematischen Zusammenhänge formulieren: v_gemessen_Sensor1_i = Korrekturfaktor * v_gemessen_Sensor2_i. Den mathematischen Wert "Korrekturfaktor" gibt es nur einmal und dieser stellt sich durch die Minimierungsmethode von selbst ein. Für "v_gemessen_Sensor1_i" werden nun Abweichungen "v_gemessen_Sensor1_Abweichung_i" der Art v_gemessen_Sensor1_i + v_gemessen_Sensor1_Abweichung_i = Korrekturfaktor * v_gemessen_Sensor2_i derart bestimmt, dass die Summe der Quadrate dieser Abweichungen minimal ist.
  • In dem Schritt S5 wird ein Schlupf des ersten und/oder zweiten Radsatzes 7, 8 in Abhängigkeit von den ermittelten Abweichungen für die gemessenen Geschwindigkeiten bezüglich eines berechneten Korrekturfaktors ermittelt und die Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeug 1 in Abhängigkeit von dem erkannten Schlupf unter Einbeziehung des zuvor berechneten Korrekturfaktors gesteuert.
  • Das Verfahren zur Schlupferkennung kann auch gemäß dem in Figur 3 illustrierten Ablaufdiagramm erfolgen, welches die Variablen-Zusammenhänge gemäß Figur 4 miteinbezieht. In einem Schritt S1 wird überprüft, ob Vorgabebedingungen zu verarbeitender Variablen erfüllt sind. Falls dies nicht der Fall ist, wird das Verfahren in einem Schritt S2 fortgeführt. Sind die Vorgabebedingungen erfüllt, wird das Verfahren in dem Schritt S3 fortgeführt.
  • In dem Schritt S3 werden Messsignale der Weginkrementalgeber erfasst und Geschwindigkeitswerte für die jeweiligen Achsen bzw. Radsätze 7 und 8 ermittelt. Ferner werden Geschwindigkeitswertpaare gebildet, die jeweils einen Geschwindigkeitswert für den ersten und den zweiten Radsatz beinhalten. Ist eine vorgegebene Anzahl an auswertbaren Geschwindigkeitswertpaaren gebildet worden, wird das Verfahren in einem Schritt S5 fortgeführt. Andernfalls wird das Verfahren beendet oder in dem Schritt S1 erneut begonnen.
  • In dem Schritt S5 wird ein kPSSA-Section-Faktor ermittelt bzw. angepasst. Der kPSSA-Section-Faktor repräsentiert einen Korrekturfaktor, der für alle Messwertpaare, zum Beispiel 120 Messwertpaare, die eine Sektion bilden, durch Minimierung der Geschwindigkeitsabweichungen bezüglich eines Sensors berechnet wird. Dabei gelten insbesondere die Zusammenhänge: v_gemessen_Sensor1_i + v_gemessen_Sensor1_Abweichung_i = Korrekturfaktor * v_gemessen_Sensor2_i, wobei "i" zum Beispiel von 1 bis 120 durchläuft. Der Korrekturfaktork PSSA-Section -Faktor wird durch die Ausgleichung geschätzt bzw. berechnet. Das Akronym "PSSA" bezieht sich auf die englische Bezeichnung "pseudo static scale adjustment" und kann auf Deutsch als pseudo-statische Skalierungsanpassung bezeichnet werden.
  • In einem Schritt S7 wird das mathematische und stochastische Model, das der Ausgleichung zu Grunde liegt, überprüft. Zum mathematischen Model gehört die Annahme, dass es nur einen Maßstabsfaktor kPSSA-Section für zum Beispiel alle 120 Geschwindigkeitspaare gibt und zum stochastischen Model gehört die Annahme zur Genauigkeit der gemessenen Geschwindigkeiten. Weiterhin wird die aus dem vorherigen Schritt S5 berechnete Genauigkeit des Korrekturfaktors gegen einen vorgegebenen Schwellwert verglichen. Ist eine gewünschte Genauigkeit erfüllt und sind die Annahmen im mathematischen und stochastischen Model nicht widerlegt, so kann das Verfahren in einem Schritt S9 fortgeführt werden. Ist eine gewünschte Genauigkeit nicht erfüllt und/oder werden die Annahmen der Modeltests widerlegt, so wird das Verfahren in einem Schritt S8 fortgeführt.
  • In dem Schritt S8 werden die aktuellen Daten und ermittelten Geschwindigkeitswerte verworfen. Das Verfahren wird beendet und bei Eintreffen neuer Geschwindigkeitswerte in dem Schritt S1 erneut begonnen.
  • In dem Schritt S9 wird überprüft, ob kfaktorsInSeries verfügbar sind. kfaktorsInSeries hat hier beispielsweise den Wert 3. Sind dementsprechend in Folge 3 mal gültige Korrekturfaktoren berechnet worden, wird das Verfahren in einem Schritt S11 fortgeführt. Andernfalls wird der Korrekturfaktor kPSSA-Section gespeichert, das Verfahren beendet und anschließend bei Eintreffen neuer Messwerte in dem Schritt S1 erneut begonnen.
  • Die Variablen kfaktorsInSeries repräsentieren eine Anzahl der nacheinander berechneten und gültigen Korrekturfaktoren. Ein Korrekturfaktor wird jeweils aus zum Beispiel 120 Wertepaaren berechnet. So kann es sein, dass in der ersten Minute ein gültiger Korrekturfaktor berechnet wurde und in der nachfolgenden Minute keiner. Dann gibt es einen gültigen Korrekturfaktor. Benötigt werden aber 3 um im Ablauf weiterzukommen. In der dritten Minute wird dann bspw. Ein gültiger berechnet. Wenn 3 vorhanden sind geht es weiter.
  • In dem Schritt S11 werden alle möglichen Zweierkombinationen der ermittelten k PSSA-Section-Faktoren aufgestellt. Bei drei kPSSA-Section -Faktoren sind es 3 Zweierkombinationen: 12, 13 und 23.
  • Bei einem Wert von 4 für die kfaktorsInSeries wären es die Kombinationen: 12, 13, 14, 23, 24 und 34.
  • In einem Schritt S13 wird überprüft, ob die berechneten Korrekturfaktoren der jeweiligen Kombinationen gleich sind im Sinne von innerhalb tolerierbarer Abweichungen übereinstimmen. Dies umfasst den Vergleich der ermittelten Korrekturfaktoren. Falls die Korrekturfaktoren innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs übereinstimmen, wird das Verfahren in einem Schritt S15 fortgeführt. Andernfalls wird das Verfahren beendet und in dem Schritt S1 erneut begonnen. Jede Kombination umfasst zwei verschiedene Korrekturfaktoren, die miteinander verglichen werden. Bei einem Wert von 3 für die kfaktorsInSeries liegen 3 unabhängig berechnete Korrekturfaktoren vor, die innerhalb von 3 Minuten entstanden sein können oder sich über einen größeren Zeitraum von zum Beispiel 148 Minuten erstrecken.
  • In dem Schritt S15 wird ein arithmetisches Mittel berechnet und der kPSSA -Faktor für ein Echtzeitverfahren zum Gleit- und Schleuderausschluss bereitgestellt. Der kPSSA -Faktor ist das arithmetische Mittel aus den kPSSA-Section-Faktoren. Bei einem Wert für die kfaktorsInSeries von 3, sind es genau 3 Stück.
  • Das beschriebene Verfahren betrifft eine quasi-statische Skalierungsanpassung und wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Verfahren zum Gleit- und Schleuderausschluss eingesetzt. Die Steuereinheit 3 realisiert dabei eine Verarbeitungseinheit, die einen Maßstab der Weginkrementalgeber zu einem referenzierenden Weginkrementalgeber ermöglicht. Bei einem Durchführen des beschriebenen Verfahrens können insbesondere die in Figur 4 dargestellten algorithmischen Zusammenhänge verschiedener Variablen bei der Schlupferkennung wie folgt berücksichtigt werden:
    Der erste, oberste Graph gemäß Figur 4 zeigt die Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 1 über der Zeit gemäß den Messsignalen des ersten und zweiten Weginkrementalgebers. Einer der beiden Weginkrementalgeber fungiert als Referenzinkrementalgeber.
  • Der zweite Graph gemäß Figur 4 zeigt eine zugehörige zeitliche Darstellung der berechneten kPSSA-Section -Faktoren. In der Darstellung ist angedeutet, dass nur Geschwindigkeitswertpaare für die weitere Bearbeitung in Betracht gezogen werden, die einen Wert aufweisen, der größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert vPSSA limit. Das vPSSA limit ist ein Schwellwert. Es werden insbesondere nur Messwertpaare gebildet, wenn beide gemessenen Geschwindigkeiten über diesem Wert liegen. Ein Hintergrund für eine solche nutzbringende Vorgehensweise ist fehlertechnischer Natur. Ein Korrekturfaktor lässt sich mit hoher Genauigkeit berechnen, wenn das Fahrzeug schnell genug fährt. Würde man die 120 Messwertpaare einer Sektion auch mit niedrigen Geschwindigkeiten füllen, so wird die Zielgenauigkeit für kPSSA -Faktor in Schritt S7 unter Umständen nicht erreicht.
  • Der dritte Graph zeigt an, ob die kPSSA -Faktoren der Kombinationen gleich sind (Punkt unterhalb der oberen Linie) oder ungleich sind (Punkt oberhalb der oberen Linie). Jeder Punkt steht für eine Kombination. Die unteren Striche oder Linien im unteren Bereich des dritten Graphen zeigen an, ob der kPSSA -Faktor generell gültig ist, siehe S7, um für die Kombinationsbildung genommen werden zu können. Ist in dem Bereich kein Strich vorhanden, bedeutet das, dass der entsprechende Faktor nicht weiter verarbeitet werden soll. Der untere Strich bzw. die untere Linie leitet sich aus den weiteren Graphen, dem vierten und dem fünften Graphen, der Figur 4 ab. Sind Striche unterhalb der durchgezogenen Linie, so wird eine entsprechende untere Linie in dem dritten Graphen gezeichnet.
  • In dem vierten Graphen ist die statistisch ermittelte Abweichung gemäß eines statistischen Tests auf Basis der Ergebnisse der Methode der kleinsten Quadrate dargestellt (χ2-Test). Eine Überprüfung für jeden Bereich ist erfüllt, wenn die vorgegebene Grenze bzw. der vorgegebene Abweichungsschwellenwert (visualisiert durch eine durchgezogene Linie) durch die ermittelten Werte (illustriert als einzelne Linienabschnitte) nicht überschritten ist.
  • In dem von oben gezählten fünften Graphen der Figur 5 ist eine Genauigkeit der k PSSA-Section-Faktoren für jeden Bereich dargestellt. Dabei ist eine entsprechende Vorgabe erfüllt, wenn die Genauigkeit des kPSSA-Section -Faktors (einzelne Linienabschnitte) ein vorgegebenes Genauigkeitslimit für den kPSSA-Section -Faktor gemäß der dargestellten Variablen σkPSSAsection limit (durchgezogene Linie) nicht überschreitet.
  • Der sechste Graph zeigt, dass der kPSSA-Section -Faktor deutlich von Null abweicht. Der kPSSA-Section-Faktor entspricht dem zuvor beschriebenen Korrekturfaktor.
  • Insbesondere die in dem dritten Graphen dargestellten Zusammenhänge sind für das beschriebene Verfahren relevant. Die unterhalb der Punkte dargestellten Linienabschnitte zeigen den Bereich der kPSSA-Section -Faktoren, welche die mathematisch stochastische Modelanalyse und eine vorgegebene Genauigkeit erfüllen. Diese k PSSA-Section-Faktoren werden für den Vergleich der Korrekturfaktoren genutzt. Ausreißer werden verworfen und nicht berücksichtigt.
  • Falls die kPSSA-Section -Faktoren in den gebildeten möglichen Kombinationen aus kfactorsInSeries berechneten Faktoren statistisch gleich sind, sind die den kPSSA-Section -Faktoren zugehörigen Punkte in dem dritten Graphen unterhalb der oberen durchgezogen gezeichneten Linie angeordnet. Die für diesen Vergleich herangezogenen Bereiche sind die unterhalb der Punkte dargestellten Linienabschnitte, die den k factorsInSeries zuzuordnen sind.
  • Die kPSSA-Section -Faktoren sind die Korrekturfaktoren; Korrekturfaktorabweichungen werden prinzipiell nur bei nicht linearen Problemstellungen berechnet um iterativ auf den richtigen einen Korrekturfaktor zu kommen. Vorliegend handelt es sich aber um ein lineares Problem, siehe Gleichung, wo der Korrekturfaktor direkt berechnet wird. Bei dieser Berechnung entstehen die Abweichungen in den gemessenen Geschwindigkeiten eines Sensors, da es zum Beispiel vorgegeben nur einen Korrekturfaktor für 120 Wertepaare geben darf. Diese Abweichungen werden genommen, um auf auftretenden Schlupf (Gleiten/Schleudern) zu schließen und die Sektion dann zu verwerfen (Schritte S7 und S8). Dabei ist zum Beispiel zu hinterfragen, wieviel an Geschwindigkeit ist auf den bspw. ersten Sensor raufzuschlagen oder abziehen, damit die Geschwindigkeit des Referenzsensors multipliziert mit dem Korrekturfaktor entsteht. Ein Optimierungskriterium ist die Minimierung solcher Abweichungen zum Quadrat. Allerdings sind auch andere Kriterien für eine Optimierungsberechnung annehmbar, wie zum Beispiel absolute Werte.
  • Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen detailliert dargestellt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele und die darin erläuterten konkreten Merkmalskombinationen beschränkt. Weitere Variationen der Erfindung können von einem Fachmann erhalten werden, ohne den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Schienenfahrzeug
    3
    Steuereinheit des Schienenfahrzeugs
    5
    erster Geschwindigkeitssensor / Weginkrementalgeber
    6
    zweiter Geschwindigkeitssensor / Weginkrementalgeber
    7
    erste Achse / erster Radsatz des Schienenfahrzeugs
    8
    zweite Achse / zweiter Radsatz des Schienenfahrzeugs
    S(i)
    Schritt eines Verfahrens zur Schlupferkennung und/oder Korrekturfaktorbestimmung bei einem Radsatz für ein Schienenfahrzeug
    t
    Zeit
    v
    Fahrzeuggeschwindigkeit

Claims (11)

  1. Verfahren zur Schlupferkennung bei einem Radsatz (7, 8) für ein Schienenfahrzeug (1), dem ein erster Radsatz (7) mit einem ersten Geschwindigkeitssensor (5) und ein zweiter Radsatz (8) mit einem zweiten Geschwindigkeitssensor (6) zugeordnet sind, umfassend:
    - Erfassen einer Mehrzahl von Messsignalen des ersten Geschwindigkeitssensors (5) und des zweiten Geschwindigkeitssensors (6), die jeweils repräsentativ sind für eine Geschwindigkeit des ersten Radsatzes (7) und des zweiten Radsatzes (8) des Schienenfahrzeugs (1),
    - Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten Radsatz (7) in Abhängigkeit von einem jeweiligen Messsignal des ersten Geschwindigkeitssensors (5) und für den zweiten Radsatz (8) in Abhängigkeit von einem jeweiligen Messsignal des zweiten Geschwindigkeitssensors (6),
    - Bilden von einer vorgegebenen Anzahl an Geschwindigkeitswertpaaren mit jeweils einem ermittelten Geschwindigkeitswert für den ersten und den zweiten Radsatz (7, 8),
    - Vergleichen der jeweiligen Geschwindigkeitswerte für den ersten und den zweiten Radsatz (7, 8) eines jeden gebildeten Geschwindigkeitswertpaares miteinander und Ermitteln eines einheitlichen Korrekturfaktors über die vorgegebene Anzahl der gebildeten Geschwindigkeitswertpaare durch eine Regressionsanalyse in Abhängigkeit von dem Vergleichen,
    - Ermitteln einer Geschwindigkeitsabweichung für einen der Radsätze (7, 8) in Abhängigkeit von dem ermittelten einheitlichen Korrekturfaktor durch einen Vergleich des Geschwindigkeitswerts des einen Radsatzes (7, 8) mit dem Geschwindigkeitswert des anderen mit dem ermittelten einheitlichen Korrekturfaktor multiplizierten Radsatzes (7, 8), und
    - Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8) in Abhängigkeit von der ermittelten Geschwindigkeitsabweichung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend:
    Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Schlupf des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8) unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) umfasst:
    - Bereitstellen eines Sicherheitsaufschlags für eine zulässige Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Schlupf, und
    - Steuern der Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem bereitgestellten Sicherheitsaufschlag.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend:
    - Ermitteln mindestens eines weiteren einheitlichen Korrekturfaktors für eine weiteren vorgegebenen Anzahl an Geschwindigkeitswertpaaren in Abhängigkeit von dem Vergleichen der jeweiligen Geschwindigkeitswerte für den ersten und den zweiten Radsatz (7, 8) der gebildeten weiteren Geschwindigkeitswertpaare miteinander,
    - Verwerfen eines der ermittelten einheitlichen Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von den dabei jeweils ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen, und
    - Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem verbleibenden einheitlichen Korrekturfaktor.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend:
    - Vorgeben eines Abweichungsschwellenwerts für eine tolerierbare Geschwindigkeitsabweichung,
    - Abgleichen der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen mit dem vorgegebenen Abweichungsschwellenwert, und
    - Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8) in Abhängigkeit von dem Abgleichen der ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen mit dem vorgegebenen Abweichungsschwellenwert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste und der zweite Geschwindigkeitssensor (5, 6) jeweils einen Weginkrementalgeber aufweist und das Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten Radsatz (7) und für den zweiten Radsatz (8) umfasst:
    - Bereitstellen von Umfangwerten für ein Rad des ersten Radsatzes (7) und ein Rad des zweiten Radsatzes (8), denen jeweils ein Weginkrementalgeber zugeordnet ist,
    - Erfassen einer Umdrehungszahl des jeweiligen Rades des ersten Radsatzes (7) und des zweiten Radsatzes (8), und
    - Ermitteln eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts für den ersten Radsatz (7) und für den zweiten Radsatz (8) in Abhängigkeit von den jeweils bereitgestellten Umfangswerten und der jeweils erfassten Umdrehungszahl.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Ermitteln eines Schlupfes des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8) in Abhängigkeit von den ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen umfasst:
    Erkennen von schlupfbeeinflussten und schlupfunbeeinflussten Bereichen des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8) in Abhängigkeit von den ermittelten Geschwindigkeitsabweichungen, und
    - Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von den erkannten schlupfbeeinflussten und schlupfunbeeinflussten Bereichen des ersten und/oder zweiten Radsatzes (7, 8).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:
    - Ermitteln mindestens eines weiteren einheitlichen Korrekturfaktors für eine weitere vorgegebene Anzahl an Geschwindigkeitswertpaaren in Abhängigkeit von dem Vergleichen der jeweiligen Geschwindigkeitswerte für den ersten und den zweiten Radsatz (7, 8) der gebildeten weiteren Geschwindigkeitswertpaare miteinander,
    - Bilden eines arithmetischen Mittels der ermittelten einheitlichen Korrekturfaktoren, und
    - Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem gebildeten arithmetischen Mittel der ermittelten einheitlichen Korrekturfaktoren.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, umfassend:
    - Speichern des arithmetischen Mittels der Korrekturfaktoren für einen nachfolgenden Fahrtzyklus des Schienenfahrzeugs (1), und
    - Steuern einer Fahrzeuggeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) in Abhängigkeit von dem gespeicherten arithmetischen Mittel der Korrekturfaktoren.
  10. Vorrichtung (3) zur Schlupferkennung bei einem Radsatz (7, 8) für ein Schienenfahrzeug (1), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
  11. Schienenfahrzeug (1), aufweisend:
    - einen ersten Radsatz (7) und einen zweiten Radsatz (8), die mechanisch voneinander entkoppelt sind,
    - einen ersten Geschwindigkeitssensor (5) und einem zweiten Geschwindigkeitssensor (6), die einem jeweiligen Radsatz (7, 8) zugeordnet sind und jeweils einen Weginkrementalgeber aufweisen, und deren Messsignale jeweils repräsentativ sind für eine Geschwindigkeit des ersten Radsatzes (7) und des zweiten Radsatzes (8), und
    - eine Vorrichtung (3) nach Anspruch 10, die signaltechnisch mit den Geschwindigkeitssensoren (5, 6) gekoppelt ist.
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