WO2002051685A1 - Verfahren und vorrichtung zum überwachen des fahrverhaltens von schienenfahrzeugen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überwachen des fahrverhaltens von schienenfahrzeugen Download PDF

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WO2002051685A1
WO2002051685A1 PCT/EP2001/015116 EP0115116W WO02051685A1 WO 2002051685 A1 WO2002051685 A1 WO 2002051685A1 EP 0115116 W EP0115116 W EP 0115116W WO 02051685 A1 WO02051685 A1 WO 02051685A1
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monitoring
signals
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rail vehicle
levels
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PCT/EP2001/015116
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English (en)
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Mario SÄGLITZ
Lutz Brandenburg
Thomas Klockow
Reinhold Sunder
Alexander Kolbasseff
Kurt Kieninger
Andreas RÖHM
Johannes Walter
Phil Alder
Jens Kolupa
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Deutsche Bahn AG
DB Reise and Touristik AG
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Deutsche Bahn AG
DB Reise and Touristik AG
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/50—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades
    • B61L27/57—Trackside diagnosis or maintenance, e.g. software upgrades for vehicles or trains, e.g. trackside supervision of train conditions

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring the driving behavior of rail vehicles and the diagnosis of components of rail vehicles.
  • the invention has for its object to provide a method and a device of the generic type, by means of which a safe monitoring of the driving behavior of rail vehicles is possible with minimal false alarm triggering.
  • this object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1 and a device having the features mentioned in claim 16.
  • the operating parameters (measuring signals) are supplied to at least one monitoring level, the operating parameters (measuring signals) being assigned to the monitoring levels depending on the assignment to one of the monitoring levels subjected to the same and / or different evaluation algorithms, it is advantageously possible to carry out optimized monitoring and diagnosis of the rail vehicle.
  • the evaluation of the signals can be adapted to the different monitoring levels in a simple manner, optimal analysis algorithms being used in accordance with a necessary reaction time for the detection of relevant events.
  • Figure 1 schematically shows a monitoring system of a rail vehicle
  • FIG. 1 Figures block diagrams of the signal processing within 2 to 5 individual monitoring levels of the monitoring system
  • FIG. 6 is an overall block diagram of the signal processing paths
  • FIG. 1 schematically shows a monitoring system 10 for a rail vehicle.
  • the rail vehicle can be, for example, a carriage of a high-speed train, for example a middle carriage, a control carriage, a restaurant carriage or a power car.
  • the subject matter of the invention can also be transferred to other rail vehicles, for example freight cars, passenger coaches, traction vehicles or the like.
  • the monitoring system 10 comprises three monitoring levels 12, 14 and 16.
  • the monitoring levels 12, 14 and 16 build on one another hierarchically.
  • the first monitoring level 12 contains general diagnoses for detecting damage, errors or the like in the initial stage, which can be remedied in a time-uncritical manner as part of maintenance, repairs and / or maintenance.
  • Advanced damage and / or errors are recognized in the monitoring level 14, which could possibly lead to risky driving situations of the rail vehicle.
  • the monitoring level 16 contains a so-called aggregate protection which, for example, detects contact losses between the wheel / rail, which includes the extreme case of a rail vehicle derailment.
  • the monitoring system 10 is provided with a total of 18 signals.
  • the signals 18 are supplied, among other things, by acceleration sensors arranged on individual components of the rail vehicle.
  • the acceleration sensors can be assigned, for example, wheelset, wheelset bearings, bogie, car body, spring / damper systems.
  • The- These acceleration sensors detect the accelerations acting on the respective components as a result of the wheel / rail contact.
  • the accelerations in all three spatial directions, i.e. in the direction of travel, vertical to the direction of travel and transverse to the direction of travel, can be recorded and evaluated.
  • the signals 18 further include an actual speed v of the rail vehicle, a mileage of the rail vehicle and temperature signals that are proportionally measured wheel set bearing temperatures. If necessary, further physical variables that characterize operating parameters of the rail vehicle can also be supplied to the monitoring system. The signals 18 thus all represent momentary dynamic measurement variables of the monitored rail vehicle.
  • the signals 18 supplied to the monitoring system 10 are subjected to different evaluation algorithms. This affects both the type of evaluation and the time span of the evaluation. This will be discussed in more detail in the following figures.
  • the signals 18 are evaluated as to whether events associated with the monitoring levels 12, 14 or 16 are recognized. In the most uncritical monitoring level 12, for example, a processing time of up to a time period t * of, for example, 300 s is provided.
  • a message 12 ' is sent to the maintenance or the like.
  • a processing time t 2 which is up to 30 s, for example. Due to the critical shear damage development, the processing time is faster here.
  • a message 14 ' is also sent which, for example, triggers an onboard message in the rail vehicle, for example to a train driver, a train control center or the like.
  • the processing takes place with a correspondingly adapted processing time t 3 , for example up to 0.1 s. If an event to be assigned to the monitoring level 16 is detected, a message 16 ′ is issued which directly or indirectly triggers an intervention in the driving operation of the rail vehicle, for example rapid braking or the like.
  • the control system 10 is also supplied with control or command variables which, for example, have a minimum speed V m in the rail vehicle and a linking algorithm 20 (linking logic 44, 68, 82, FIGS. 2 to 6) of the signals 18 in accordance with the processing of the signals in the individual monitoring Preset levels 12, 14 and 16 respectively.
  • control or command variables which, for example, have a minimum speed V m in the rail vehicle and a linking algorithm 20 (linking logic 44, 68, 82, FIGS. 2 to 6) of the signals 18 in accordance with the processing of the signals in the individual monitoring Preset levels 12, 14 and 16 respectively.
  • the evaluation algorithms to be used in the individual monitoring levels 12, 14 and 16 the following should be noted.
  • methods in the frequency range are expedient. Due to the improved signal statistics due to averaging procedures, these have the potential to track natural frequencies of running gear and rail vehicles while driving and to detect changes due to damage or wear at an early stage. The excitation influences from the track superstructure do not interfere with the detection and assessment of the frequency position.
  • the evaluation algorithms used in monitoring level 16 are able to detect spontaneously occurring derailments.
  • Time series analyzes hoverogram analyzes
  • speed classes are carried out in different speed classes.
  • FIG. 2 shows the evaluation algorithms of the signals 18 in the monitoring level 12 in a block diagram.
  • Sixteen acceleration signals of individual components of the rail vehicle are available as output signals. This can be, for example, acceleration signals from the wheelset bearing housing, bogie or the like.
  • the acceleration channels are read in at a sampling rate that is adapted to the highest frequency of interest in time processing, for example 32 kHz. They are then digitally filtered and sampled down (step 21). This limits the frequency band and minimizes the computing effort for the evaluation algorithms.
  • the evaluation is then carried out using a Hanning window (step 22) in order to reduce distortions in the frequency domain.
  • the amplitude and phase spectra of the signals are then determined by means of a spectral analysis 22.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the degree of overlap of the individual spectra can be varied between 30% and 70%, for example deviating from the preferably 50%.
  • nineteen spectra are available for each of the channels 16, of which the spectral auto and cross powers are determined (step 24) by a suitable combination (step 24) and then averaged (step 26).
  • the averaged phase spectra 34 are determined on the basis of the cross powers.
  • Averaged coherence spectra 32 are determined on the basis of the auto and cross powers.
  • eight features Mi corresponds to the coherence spectra 32
  • eight features M 2 corresponds to the phase spectra 34
  • sixteen features M 3 corresponds to the amplitude spectra 28
  • a total of thirty-two features 36 (8 x Mi + 8 x M 2 + 16 x M 3 ) are thus available.
  • the spectra 28, 32 and 34 are determined over a period of, for example, 120 s (or optionally 180 s, 240 s, 300 s or 360 s) and cached.
  • the travel speed v of the rail vehicle is measured once at the beginning and once at the end of each 20s detection window and is also buffered. The smallest possible change in speed is used as a criterion for the final archiving of a spectrum originating from the set time window.
  • a selection circuit 38 can be used to define frequency bands (monitoring bands) to be monitored within the individual amplitude spectra 28, phase spectra 34 and coherence spectra 32 by defining lower and upper band limits. Various parameters are evaluated within these defined frequency bands. First the frequency of the maximum (peak) within the frequency band is determined. It is then checked whether the peak is within the upper and lower frequency limits (parameters 1 and 2). If the peak leaves this frequency range, an alarm bit is set. The amplitude value of the peak must be within the defined amplitude limit (parameters 3 and 4). If the range set by the upper and lower amplitude limits is exited, an alarm bit is also set. The -3dB point is also monitored in the amplitude spectrum.
  • This -3dB point appears in the spectrum both to the left and to the right of the peak.
  • the lower and the upper frequency limit can be set for both -3dB points (parameters 5 to 8). This provides information about the curve shape around the peak area. If the -3dB point leaves the area defined by the limits, an alarm bit is also set.
  • a check 40 of the averaged spectra is thus possible, with only the parameters 1 for the coherence spectra 32 and the phase spectra 34 4 are activated, while parameters 1 to 8 are activated for the amplitude spectra 28.
  • Monitoring 40 for exceeding the limit value is only applied to the amplitude spectra 28 provided for archiving.
  • the maximum of alarm signals (alarm bits) 42 256 alarm signals Ai, 256 alarm signals A 2 , 1024 alarm signals A3 resulting from the checking of the parameters are fed to a logic logic 44, which links the alarm signals 42 to one another and, when conditions are met, to an alarm system 46, for example in set 300s cycle, leads.
  • FIG. 3 shows the evaluation algorithms of the signals 18 in the monitoring level 14 in a block diagram.
  • the acceleration signals of individual components of the rail vehicle are again available as output signals.
  • the four bearing signals from bogies of a rail vehicle are preferably evaluated, so that eight of the acceleration signals 18 are evaluated. These are split into two subbands using a filter (splitter) 48.
  • the lower subband (low) 50 extends over a range from, for example, 0 to 400 Hz, while the upper subband (high) 52 covers the frequency range from, for example, 0.4 to 16 kHz.
  • the mean value and the variance (steps 51 and 53, respectively) of the samples lying in the respective subbands 50 and 52 are calculated over a period of 1 s.
  • the respective 1-second kurtosis value is then calculated from this (steps 54 and 56, respectively). These 1-second kurtosis values are then averaged over a period of 30 s (steps 58 and 60, respectively).
  • the result of this evaluation is therefore eight characteristics M 4 (kurtosis values in the low subband) and eight characteristics M5 (kurtosis values in the high Subband).
  • a further sixteen features 36 '(8 x M 4 + 8 x M 5 ) are thus available here.
  • FIG. 4 shows in a block diagram the evaluation algorithms of the signals 18 in the monitoring level 16.
  • the sixteen acceleration signals of individual components of the rail vehicle are again available as output signals.
  • a crest factor is determined for eight of these acceleration signals and a histogram analysis is carried out for a further eight (the same or the other) acceleration signals.
  • the signals are sampled with a sample frequency of 32 kHz.
  • the individual values are recorded in 10 ms time frames, that is to say in batches of 320 individual values.
  • the peak value and the RMS value are determined and the quotient of the peak value and the RMS value (crest factor) is formed.
  • M ⁇ corresponds to the crest factors
  • the histogram analysis (step 72) is carried out in parallel for eight acceleration signals, in particular for the four bearing signals of the bogies of the rail vehicle.
  • the acquisition is also carried out in 10 ms time frames, i.e. in batches of 320 values. From these 320 values per time window, the largest positive and smallest negative values are selected (step 74) and entered in the histogram 76. This means that there are two values per 10 ms time window per monitored acceleration signal. Histogram analysis monitors the frequency of certain acceleration values in four speed classes. A histogram 76 is created for each speed class and signal.
  • Eight features M 6 are thus available through the crest factor analysis and thirty-two features M 7 through the histogram analysis. A total of forty features 36 "(8 x M 6 + 32 x M 7 ) are thus available in monitoring level 16.
  • the individual characteristics are monitored for a threshold value being exceeded.
  • the characteristics achieved as a result of the histogram analysis are monitored for exceeding a symmetrical threshold value.
  • This symmetrical threshold value can be set as a parameter. Since the speed is recorded in 1s steps, the values recorded in these 100x1 Oms time windows belong to the same speed class. The size of the acceleration values are monitored depending on the speed class. If an adjustable maximum value is exceeded or the threshold value of the crest factor is exceeded, there is a signal alarm.
  • alarm signals (alarm bits) 42 "(eight alarm signals Ae, two and thirty alarm signals A ⁇ ) are fed to a logic logic 82 which links the alarm signals 42 ′′ to one another and, when the conditions are met, leads to an alarm signal 46 ′′, for example in the set 10 msec.
  • FIG. 5 shows in a block diagram the evaluation algorithms of the temperature signals, which are available in the total amount of signals 18.
  • the temperatures are monitored in the monitoring level 14, since so-called hot runners can be identified via the temperature monitoring, which can occur as a result of bearing damage.
  • the bearing-specific temperature deviation ⁇ T determined in the signal processing is monitored for a threshold value which can be set as a parameter.
  • the bogie-specific maximum temperature Tm a ⁇ can also be programmed as an alarm parameter. According to this predetermined threshold is done reviewing 88 as to whether the temperature Tindi idueii> Tmax or the temperature Tindividueii> Tmittei + .DELTA.T gre nz.
  • the maximum resulting alarm signals 42 '(eight alarm signals As, four alarm signals Ag, four alarm signals A 1 0) resulting from the checking of the parameters are fed to the logic logic 68, which links the alarm signals to one another and, when conditions are met, to give an alarm 46', for example in the set 30s cycle.
  • FIG. 6 shows the entire monitoring system 10 with the evaluation algorithms in the monitoring levels 12, 14 and 16 in a block diagram. Overall, this results in the following summarized signal processing or determination of features, alarm bits and alarms triggered by the link logic. These procedures have already been explained in detail with reference to the preceding figures.
  • FIG. 7 is composed of the diagnostic tasks of FIGS. 3 to 6 already described and again shows the selected form of the reporting concept via logical links in the three different signal processing scenarios with reaction times adapted to the task. Checking for limit value violations takes place in frequency range monitoring after spectra selection in adjustable time windows (120 or 180/240/300/360 seconds). Monitoring for sixteen acceleration signals as well as eight coherence and phase combinations per vehicle is used.
  • amplitude spectra there are eight monitoring bands and eight parameters (2 x amplitude, 2 x frequency, 4 x damping), i.e. 1024 alarm bits per vehicle, with the coherence / phase signals (2 x amplitude / 2 x frequency) corresponding to 256 alarm bits per vehicle available.
  • a maximum of eight freely selectable alarm bits can be linked during frequency monitoring and trigger an external alarm after being checked by a timer.
  • the timing element ensures that an alarm condition is only met in order to pass on an alarm externally via the linking result of two consecutive stored measurements (spectra determinations).
  • the monitoring of bearing temperatures is directly related to the monitoring of bearing vibrations using kurtosis.
  • Each storage temperature is checked for two alarm conditions (T ma ⁇ and ⁇ Tgre n ze) - This means that sixteen alarm bits are available per vehicle.
  • the result of the storage temperature monitoring is also available every 30s like the kurtosis monitoring, that is, When kurtosis and temperature alarms are linked, it is not necessary to manage different time cycles.
  • the determined alarm bits are written into a kurtosis temperature signal alarm file, which is updated every 30 seconds.
  • the signal alarms are linked in the logic editor and lead to an alarm if the condition is met.
  • FIG. 7 schematically shows the structure of the monitoring system 10.
  • the monitoring system 10 has a modular structure, so that separate commissioning (of the individual monitoring levels 12, 14 and 16) as well as a quick exchange of individual components and the possibility of individual adaptation to other conditions is possible.
  • the signals 18 of the sensors are adapted to the input areas of analog / digital converters 102 via a signal conditioning 100.
  • the analog / digital converters 102 are implemented in accordance with the required number of channels of the signals to be processed and the conversion rate of 32 k samples per second.
  • the analog / digital converters are connected to a digital signal processor (DSP) 104, in which the signal processing or processing, the feature extraction, the limit value comparisons and the alarming - in accordance with the explanation of the previous figures - is implemented.
  • DSP digital signal processor
  • a flash memory 106 for loading the program and an external memory 108 for storing the data are assigned to the digital signal processor 104.
  • the sequence control of the digital signal processor 104 is carried out by a computing system 110 to which a flash memory disc 112 is assigned for the temporary storage of the measurement data.
  • a hard disk memory 114 is also assigned to the computing system 110. This configuration enables the data to be written to the flash memory 112 while the rail vehicle is in use, and the data (copying) to the hard disk is not rewritten until the rail vehicle is at a standstill. to carry out memory 114. This increases the data security of the monitoring system 10.
  • the size of the flash memory 112 must be adapted to the maximum travel time of the rail vehicle and can be rewritten after each transfer to the hard disk memory 114.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Komnponenten von Schienenfahrzeugen, wobei gleiche und/oder unterschiedliche Betriebsparameter (Messsignale) des Schienenfahrzeuges beziehungsweise von Komponenten des Schienenfahrzeuges während dessen bestimmungsgemässen Einsatzes erfasst und ausgewertet werden. Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit der Zuordnung zu überwachungsebenen einer Überwachungshierarchie, zur Erzielung das Fahrverhalten charakterisierender, ereignisabhängiger Aussagen, die Betriebsparameter (Messsignale), wenigstens einer Überwachungsebene zugeführt werden, wobei je nach Zuordnung zu einer der Überwachungsebenen die Betriebsparameter (Messsignale) in den Überwachungsebenen gleichen und/oder unterschiedlichen Auswertealgorithmen unterzogen werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Komponenten von Schienenfahrzeugen.
Bekannt ist, das Fahrverhalten von Schienenfahrzeugen während deren bestimmungsgemäßen Einsatz zu überwachen, indem das Fahrverhalten repräsentierende Betriebsparameter des Schienenfahrzeuges erfasst und ausgewertet werden. Hier ist beispielsweise bekannt, das Beschleunigungsverhalten einzelner Komponenten des Schienenfahrzeuges mittels an den Komponenten angeordneter Beschleunigungsauf- nehmer zu erfassen. Da aufgrund des bestehenden Rad/Schiene- Kontaktes der Schienenfahrzeuge eine Schwingungsanregung des Schienenfahrzeuges und somit der einzelnen Komponenten erfolgt, kann durch Überwachen des tatsächlichen Schwingungsverhaltens auf Unregelmäßigkeiten geschlossen werden. Bekannt ist, die einzelnen Beschleunigungssignale im Frequenz-, Statistik- und/oder im Zeitbereich auszuwerten. Bei den bekannten Verfahren ist jedoch nachteilig, dass es aufgrund unvorhergesehener äußerer und/oder innerer Einflüsse zu einer Veränderung des Beschleunigungsverhaltens einzelner Komponenten kommt, die dann zu einer entsprechenden Signalauslö- sung führen. Oftmals sind diese äußeren und inneren Einflüsse nicht identisch mit den eigentlich zu überwachenden Ereignissen, beispielsweise Schäden an einzelnen Komponenten, so dass bei den bekannten Überwachungsverfahren Fehlalarme nicht ausgeschlossen werden können. Aus Gründen der Systemakzeptanz muss jedoch jedem Alarm die maximal mögliche Bedeutung beigemessen werden, so dass hierdurch das Betriebsverhalten der Schienenfahrzeuge entsprechend der Anzahl von Fehlalarmierungen beeinträchtigt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mittels denen eine sichere Überwachung des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen bei minimaler Fehlalarmauslösung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den im Anspruch 16 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass in Abhängigkeit der Zuordnung zu Überwachungsebenen einer Überwachungshierarchie, zur Erzielung das Fahπterhalten charakterisierender, ereignisabhängiger Aussagen, die Betriebsparameter (Messsignale) wenigstens einer Überwachungsebene zugeführt werden, wobei je nach Zuordnung zu einer der Überwachungsebenen die Betriebsparameter (Messsignale) in den Überwa- chungsebenen gleichen und/oder unterschiedlichen Auswertealgorithmen unterzogen werden, ist vorteilhaft möglich, eine optimierte Überwachung und Diagnose des Schienenfahrzeuges durchzuführen. Es ist insbesondere möglich, durch die gegebenen Kombinationsmöglichkeiten der Auswahl der einzelnen Betriebsparameter (Messsignale) bezie- hungsweise der unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten hinsichtlich der Zuordnung zu den Überwachungsebenen - und damit der Auswahl der Auswertealgorithmen - sich anbahnende Schadensentwicklungen deutlich vor Erreichen kritischer Zustände zu erkennen und somit den sich hieraus ergebenen Zeitgewinn einerseits zur Einleitung von Gegenmaßnahmen und andererseits zur Selbstüberprüfung hinsichtlich des Ausschlusses von Fehlalarmen zu nutzen. In den unterschiedlichen Überwachungsebenen können hierbei gleiche Auswertealgorithmen und/oder unterschiedliche Auswertealgorithmen, beispielsweise im Frequenzbereich und/oder Zeitbereich und/oder im Statistikbereich, zum Einsatz kommen. Insbesondere ist auch erfindungswesentlich, dass die den unterschiedlichen Betriebsparametern entsprechenden Signale in den unterschiedlichen Überwachungsebenen gegebenenfalls unterschiedlichen Auswertealgorithmen unterworfen werden können. Hierdurch kann eine Anpassung der Auswertung der Signale an die unterschiedlichen Überwachungsebenen in einfacher Weise erfolgen, wobei entsprechend einer notwendigen Reaktionszeit zur Erkennung relevanter Ereignisse entsprechend optimale Auswertealgorithmen herangezogen werden. Es ist insbesondere auch möglich, wenigstens zwei Betriebsparameter (Messsignale), die gleich oder unterschiedlich sein können, innerhalb einer Überwachungsebene miteinander zu verknüpfen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein Überwachungssystem eines Schienen- fahrzeuges;
Figuren Blockschaltbilder der Signalverarbeitung innerhalb 2 bis 5 einzelner Überwachungsebenen des Überwachungssystems;
Figur 6 ein Gesamtblockschaltbild der Signalverarbeitungspfade und
Figur 7 schematisch den Datenfluss im Überwachungssystem innerhalb eines Schienenfahrzeuges. Figur 1 zeigt schematisch ein Überwachungssystem 10 für ein Schienenfahrzeug. Bei dem Schienenfahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Wagen eines Hochgeschwindigkeitszuges, beispielsweise einen Mittelwagen, einen Steuerwagen, einen Restaurantwagen oder einen Triebkopf, handeln. Selbstverständlich lässt sich der Gegenstand der Erfindung auch auf andere Schienenfahrzeuge, beispielsweise Güterwagen, Reisezugwagen, Triebfahrzeuge oder dergleichen, übertragen.
Das Überwachungssystem 10 umfasst drei Überwachungsebenen 12, 14 und 16. Die Überwachungsebenen 12, 14 und 16 bauen hierarchisch aufeinander auf. Die erste Überwachungsebene 12 beinhaltet allgemeine Diagnosen zur Erfassung von Schäden, Fehlern oder dergleichen im Anfangsstadium, die im Rahmen von Wartungen, Reparatu- ren und/oder Instandhaltungen zeitlich unkritisch behoben werden können.
In der Überwachungsebene 14 werden fortgeschrittene Schäden und/oder Fehler erkannt, die gegebenenfalls zu risikobehafteten Fahr- Situationen des Schienenfahrzeuges führen könnten.
Die Überwachungsebene 16 beinhaltet einen so genannten Aggregateschutz, der beispielsweise Kontaktverluste zwischen Rad/Schiene erkennt, wobei hierbei der Extremfall einer Schienenfahrzeug-Entgleisung eingeschlossen ist.
Dem Überwachungssystem 10 werden hier insgesamt mit 18 bezeichnete Signale zur Verfügung gestellt. Die Signale 18 werden unter anderem von an einzelnen Komponenten des Schienenfahrzeuges angeord- neten Beschleunigungssensoren geliefert. Hierbei können die Beschleunigungssensoren beispielsweise Radsatz, Radsatzlager, Drehgestell, Wagenkasten, Feder-/Dämpfersystemen zugeordnet sein. Die- se Beschleunigungssensoren detektieren die auf die jeweiligen Komponenten infolge des Rad/Schiene-Kontaktes einwirkenden Beschleunigungen. Hierbei können die Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen, also in Fahrtrichtung, vertikal zur Fahrtrichtung und quer zur Fahrtrichtung, erfasst und ausgewertet werden.
Die Signale 18 umfassen ferner eine Ist-Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges, eine Kilometerlauf leistung des Schienenfahrzeuges und Temperatursignale, die proportional gemessener Radsatzlagertempe- raturen sind. Gegebenenfalls können dem Überwachungssystem auch weitere physikalische Größen, die Betriebsparameter des Schienenfahrzeuges charakterisieren, zugeführt werden. Die Signale 18 stellen somit allesamt momentane dynamische Messgrößen des überwachten Schienenfahrzeuges dar.
In jeder der Überwachungsebenen 12, 14 und 16 werden die dem Ü- berwachungssystem 10 zugeführten Signale 18 unterschiedlichen Auswertealgorithmen unterzogen. Dies betrifft sowohl die Art der Auswertung als auch die Zeitspanne der Auswertung. Hierauf wird im Einzel- nen anhand der nachfolgenden Figuren noch näher eingegangen. Die Auswertung der Signale 18 erfolgt dahingehend, ob den Überwachungsebenen 12, 14 oder 16 zuzuordnende Ereignisse erkannt werden. In der unkritischsten Überwachungsebene 12 ist beispielsweise eine Verarbeitungszeit bis zu einer Zeitspanne t* von beispielsweise 300 s vorgesehen. Bei Erkennen eines relevanten Ereignisses in der Überwachungsebene 12, erfolgt eine Meldung 12' an die Instandhaltung oder dergleichen. Die Meldung 12' kann beispielsweise mittels Datenfernübertragung abgesetzt werden.
In der Überwachungsebene 14 erfolgt die Bearbeitung der Signale 18 mit einer Verarbeitungszeitspanne t2, die beispielsweise bis 30 s beträgt. Aufgrund der der Überwachungsebene 14 zuzuordnenden kriti- scheren Schadensentwicklung ist hier die Verarbeitungszeit schneller. Bei Erkennen eines der Überwachungsebene 14 zuzuordnenden Ereignisses erfolgt zusätzlich eine Meldung 14', die beispielsweise in eine Onboard-Meldung im Schienenfahrzeug, beispielsweise an einen Zug- führer, eine Zugleitstelle oder dergleichen, auslöst.
In der kritischsten Überwachungsebene 16 erfolgt die Bearbeitung mit einer entsprechend angepassten Verarbeitungszeit t3, die beispielsweise bis 0,1 s beträgt. Wird ein der Überwachungsebene 16 zuzuordnen- des Ereignis erkannt, erfolgt eine Meldung 16', die direkt oder indirekt einen Eingriff in den Fahrbetrieb des Schienenfahrzeuges, beispielsweise eine Schnellbremsung oder dergleichen, auslöst.
Es wird deutlich, dass aufgrund unterschiedlicher Schadenseskalati- onsgrade entsprechend der Überwachungsebenen 12, 14, 16 gestaffelte Meldungen 12', 14' beziehungsweise 16' vorgesehen sind. Während die der Überwachungsebene 12 zuzuordnenden Ereignisse zeitlich unkritisch sind, führen der Überwachungsebene 14 zuzuordnende Ereignisse unmittelbar zu Meldungen an ein internes Kommunikations- netz des Schienenfahrzeuges (bei dem Zugverband an das Kommunikationsnetz des Zuges) mit eventuellen Vorschlägen für durch das Zugpersonal einzuleitende Gegenmaßnahmen. Die Meldungen 16' hingegen lösen sofortige Gegenmaßnahmen aus.
Dem Überwachungssystem 10 werden noch Steuer- beziehungsweise Führungsgrößen zugeführt, die beispielsweise eine Mindestgeschwindigkeit Vmin des Schienenfahrzeuges und ein Verknüpfungsalgorithmus 20 (Verknüpfungslogiken 44, 68, 82, Figuren 2 bis 6) der Signale 18 entsprechend der Verarbeitung der Signale in den einzelnen Überwa- chungsebenen 12, 14 beziehungsweise 16 vorgeben. Hinsichtlich der in den einzelnen Überwachungsebenen 12, 14 und 16 anzuwendenden Auswertealgorithmen ist Folgendes festzuhalten. In der Überwachungsebene 12 zur Einleitung von Wartungsmaßnahmen sind Verfahren im Frequenzbereich zielführend. Diese besitzen auf- grund der durch Mittelungsprozeduren verbesserten Signalstatistik das Potential, Eigenfrequenzen von Fahrwerken und Schienenfahrzeugen im Fahrbetrieb zu verfolgen und schädigungs- oder verschleißbedingte Veränderungen frühzeitig zu erkennen. Die vom Gleisoberbau herrührenden Anregungseinflüsse stören dabei die Erkennung und Beurtei- lung der Frequenzlage nicht.
Für die Erkennung von risikobehafteten Fahrsituationen in der Überwachungsebene 14 werden beispielsweise statistische Verfahren eingesetzt, die insbesondere bei periodisch auftretenden Stoßimpulsen Aus- sagen zu Fehlern an Radsatz, Radsatzlagern, Dämpfersystemen oder dergleichen liefern. Mittels dieser Auswertealgorithmen können eskalierende Entwicklungen kurzfristig erkannt werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten (Meldung 14').
Die in der Überwachungsebene 16 eingesetzten Auswertealgorithmen sind in der Lage, spontan eintretende Entgleisungen zu detektieren. Hierbei werden Zeitreihenanalysen (Histogrammanalysen) in verschiedenen Geschwindigkeitsklassen durchgeführt.
Figur 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Auswertealgorithmen der Signale 18 in der Überwachungsebene 12. Als Ausgangssignale liegen sechzehn Beschleunigungssignale einzelner Komponenten des Schienenfahrzeuges vor. Dies können beispielsweise Beschleunigungssignale vom Radsatzlagergehäuse, Drehgestell oder dergleichen sein. Die Beschleunigungskanäle werden mit einer Abtastrate eingelesen, die an die höchste interessierende Frequenz bei der Zeitverarbeitung ange- passt ist, zum Beispiel 32 kHz. Anschließend werden sie digital gefiltert und downgesampelt (Schritt 21). Hierdurch wird das Frequenzband begrenzt und der Rechenaufwand für die Auswertealgorithmen minimiert. Anschließend erfolgt die Bewertung mit einem Hanning-Fenster (Schritt 22), um Verzerrungen im Frequenzbereich zu reduzieren. Anschließend werden mittels einer Spektralanalyse 22 die Amplituden- und Phasenspektren der Signale ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) mit einer Auflösung von 0,5 Hz. Dies führt bei einem interessierenden Frequenzbereich von 0 bis 1024 Hz zu 4096 erforderlichen Stützstellen für die Fast-Fourier-Transformation, so dass sich ein Erfassungsfenster von 2 s (4096 Stützstellen durch fsampie = 2 s) für eine Einzel-Fast-Fourier-Transformation ergibt. Über einen Zeitraum von 20 s werden Einzelspektren im Zeitbereich überlappend generiert, beispielsweise mit einem Überlappungsgrad von 50 %, so dass die Anzahl der zu mittelnden Einzelspektren neunzehn beträgt. Dieser Vorgang wird mit einem Erfassungstakt von 30 s neu gestartet. Der Überlappungsgrad der Einzelspektren kann hierbei, beispielsweise abweichend von den vorzugsweise 50 %, in den Grenzen zwischen 30 % bis 70 % variiert werden. Im Ergebnis der Spektralanalyse 22 stehen für die Kanäle 16 jeweils zum Beispiel neunzehn Spektren zur Verfügung, von denen durch geeignete Kombination (Schritt 30) die spektralen Auto- und Kreuzleistungen bestimmt (Schritt 24) und anschließend gemittelt (Schritt 26) werden. Auf Basis der Kreuzleistungen werden die gemittelten Phasenspektren 34 bestimmt. Auf Basis der Auto- und Kreuzleistungen werden gemittelte Kohärenzspektren 32 be- stimmt. Im Ergebnis dieser Auswertung stehen somit acht Merkmale Mi (entspricht den Kohärenzspektren 32), acht Merkmale M2 (entspricht den Phasenspektren 34) und sechzehn Merkmale M3 (entspricht den Amplitudenspektren 28) zur Verfügung. Somit stehen insgesamt zweiunddreißig Merkmale 36 (8 x Mi + 8 x M2 + 16 x M3) zur Verfügung.
Die Spektren 28, 32 und 34 werden über einen Zeitraum von beispielsweise 120 s (oder wahlweise 180 s, 240 s, 300 s oder 360 s) ermittelt und zwischengespeichert. Die Fahrtgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeuges wird einmal zu Beginn und einmal zum Ende eines jeden 20s-Erfassungsfensters gemessen und ebenfalls zwischengespeichert. Eine möglichst geringe Geschwindigkeitsveränderung wird als Kriterium für eine endgültige Archivierung eines aus dem eingestellten Zeitfenster stammenden Spektrums verwendet.
Über eine Auswahlschaltung 38 können innerhalb der einzelner vorliegenden Amplitudenspektren 28, Phasenspektren 34 und Kohärenz- spektren 32 durch Definition unterer und oberer Bandgrenzen zu überwachende Frequenzbänder (Überwachungsbänder) definiert werden. Innerhalb dieser definierten Frequenzbänder erfolgt eine Auswertung hinsichtlich verschiedener Parameter. Zunächst wird die Frequenz des Maximums (Peak) innerhalb des Frequenzbandes ermittelt. Anschlie- ßend wird geprüft, ob der Peak innerhalb der oberen und unteren Frequenzgrenze liegt (Parameter 1 und 2). Verlässt der Peak diesen Frequenzbereich, so wird ein Alarmbit gesetzt. Der Amplitudenwert des Peaks muss innerhalb der definierten Amplitudengrenze liegen (Parameter 3 und 4). Wird der durch die obere und die untere Amplituden- grenze eingestellte Bereich verlassen, so wird ebenfalls ein Alarmbit gesetzt. Im Amplitudenspektrum wird auch der -3dB-Punkt überwacht. Dies ist die Frequenzlinie, die in ihrer Amplitude um 3 dB über dem Peak gedämpft ist. Dieser -3dB-Punkt tritt im Spektrum sowohl links als auch rechts vom Peak auf. Für beide -3dB-Punkte lassen sich die unte- re und die obere Frequenzgrenze einstellen (Parameter 5 bis 8). Hierdurch wird eine Aussage über die Kurvenform rund um den Peak- Bereich gewonnen. Verlässt der -3dB-Punkt den durch die Grenzen definierten Bereich, so wird ebenfalls ein Alarmbit gesetzt.
Wie dem Blockschaltbild in Figur 2 zu entnehmen ist, ist somit eine Ü- berprüfung 40 der gemittelten Spektren möglich, wobei für die Kohärenzspektren 32 und die Phasenspektren 34 lediglich die Parameter 1 bis 4 aktiviert sind, während für die Amplitudenspektren 28 die Parameter 1 bis 8 aktiviert sind. Die Überwachung 40 auf Grenzwertüberschreitung wird nur auf die für die Archivierung vorgesehenen Amplitudenspektren 28 angewandt. Die aus der Überprüfung der Parameter maximal resultierenden Alarmsignale (Alarmbits) 42 (256 Alarmsignale Ai, 256 Alarmsignale A2, 1024 Alarmsignale A3) werden einer Verknüpfungslogik 44 zugeführt, die die Alarmsignale 42 miteinander verknüpft und bei erfüllten Bedingungen zu einer Alarmgebung 46, beispielsweise im eingestellten 300s-Takt, führt.
Es wird deutlich, dass bei den in der Überwachungsebene 12 zum Ansatz kommenden Auswertealgorithmen insbesondere Spektralanalysen und Korrelationen eingesetzt sind.
Figur 3 zeigt in einem Blockschaltbild die Auswertealgorithmen der Signale 18 in der Überwachungsebene 14. Als Ausgangssignale liegen wiederum die Beschleunigungssignale einzelner Komponenten des Schienenfahrzeuges vor. Hierbei werden vorzugsweise die jeweils vier Lagersignale von Drehgestellen eines Schienenfahrzeuges ausgewer- tet, so dass acht der Beschleunigungssignale 18 zur Auswertung gelangen. Diese werden über einen Filter (Splitter) 48 in zwei Subbänder aufgespalten. Das untere Subband (low) 50 geht über einen Bereich von zum Beispiel 0 bis 400 Hz während das obere Subband (high) 52 den Frequenzbereich von zum Beispiel 0,4 bis 16 kHz abdeckt. Von den in den jeweiligen Subbändern 50 und 52 liegenden Samples wird über eine Zeitspanne von 1 s der Mittelwert und die Varianz (Schritte 51 beziehungsweise 53) berechnet. Hieraus wird dann der jeweilige 1- Sekunden-Kurtosiswert errechnet (Schritte 54 beziehungsweise 56). Diese 1 -Sekunden-Kurtosiswerte werden über eine Zeitspanne von 30 s anschließend gemittelt (Schritte 58 beziehungsweise 60). Im Ergebnis dieser Auswertung stehen somit acht Merkmale M4 (Kurtosis- werte im Low-Subband) und acht Merkmale M5 (Kurtosiswerte im High- Subband) zur Verfügung. Somit stehen hier weitere sechzehn Merkmale 36' (8 x M4 + 8 x M5) zur Verfügung.
Anschließend erfolgt für jeden der gemittelten Kurtosiswerte eine Über- prüfung auf das Überschreiten von Grenzwerten (Schritte 62 beziehungsweise 66). Überschreitet einer der Kurtosiswerte den vorgebbaren Grenzwert, kann jeweils ein Alarmbit 42' generiert werden. Somit stehen hier acht Alarmsignale A4 und acht Alarmsignale A5 zur Verfügung. Diese werden über eine Verknüpfungslogik 68 geführt, die die Alarmsignale 42' miteinander verknüpft und bei erfüllten Bedingungen zu einer Alarmgebung 46', beispielsweise im eingestellte 30s-Takt, führt.
Es wird deutlich, dass bei den in der Überwachungsebene 14 zum An- satz kommenden Auswertealgorithmen insbesondere statistische Verfahren, wie beispielsweise Kurtosis, zur Anwendung kommen.
Figur 4 zeigt in einem Blockschaltbild die Auswertealgorithmen der Signale 18 in der Überwachungsebene 16. Als Ausgangssignale liegen wiederum die sechzehn Beschleunigungssignale einzelner Komponenten des Schienenfahrzeuges vor. Für acht dieser Beschleunigungssignale erfolgt die Ermittlung eines Crestfaktors und für weitere acht (die gleichen oder die anderen) Beschleunigungssignale eine Histogrammanalyse. Die Signale sind wiederum, wie bei den vorhergehenden Auswertealgorithmen, mit einer Samplefrequenz von 32 kHz gesampelt.
Bei der Ermittlung des Crestfaktors (Schritt 70) erfolgt die Erfassung der Einzelwerte in 10ms-Zeitfenstem, das heißt in Schüben von 320 Einzelwerten. In diesem Zeitfenster wird jeweils der betragsmäßige Spit- zenwert und der RMS-Wert ermittelt und der Quotient aus Spitzenwert und RMS-Wert (Crestfaktor) gebildet. Im Ergebnis dieser Auswertung stehen somit acht Merkmale Mβ (entspricht den Crestfaktoren) zur Verfügung.
Parallel erfolgt die Histogrammanalyse (Schritt 72) für acht Beschleuni- gungssignale, insbesondere für die jeweils vier Lagersignale der Drehgestelle des Schienenfahrzeuges. Die Erfassung erfolgt ebenfalls in 10ms-Zeitfenstem, das heißt in Schüben von 320 Werten. Aus diesen 320 Werten pro Zeitfenster wird der größte positive und kleinste negative Wert selektiert (Schritt 74) und in das Histogramm 76 eingetragen. Somit fallen pro 10ms-Zeitfenster je überwachtem Beschleunigungssignal zwei Werte an. Bei der Histogrammanalyse wird die Häufigkeit von bestimmten Beschleunigungswerten in vier Geschwindigkeitsklassen überwacht. Pro Geschwindigkeitsklasse und Signal wird ein Histogramm 76 erstellt.
Durch die Crestfaktoranalyse stehen somit acht Merkmale M6 und durch die Histogrammanalyse zweiunddreißig Merkmale M7 zur Verfügung. Somit stehen in der Überwachungsebene 16 insgesamt vierzig Merkmale 36" (8 x M6 + 32 x M7) zur Verfügung.
Die einzelnen Merkmale werden auf Überschreitung eines Schwellwertes überwacht. Die infolge der Histogrammanalyse erzielten Merkmale werden auf das Überschreiten eines symmetrischen Schwellwertes ü- berwacht. Dieser symmetrische Schwellwert ist als Parameter einstell- bar. Da die Erfassung der Geschwindigkeit in 1s-Schritten erfolgt, gehören jeweils die in diesen 100x1 Oms-Zeitfenstem erfassten Werte zur gleichen Geschwindigkeitsklasse. Die Beschleunigungswerte werden geschwindigkeitsklassenabhängig in ihrer Größe überwacht. Wird ein einstellbarer Maximalwert überschritten beziehungsweise wird der Schwellwert des Crestfaktors überschritten, liegt ein Signalalarm vor. Die aus dieser Überprüfung 78 beziehungsweise 80 maximal resultierenden Alarmsignale (Alarmbits) 42" (acht Alarmsignale Ae, zweiund- dreißig Alarmsignale Aγ) werden einer Verknüpfungslogik 82 zugeführt, die die Alarmsignale 42" miteinander verknüpft und bei erfüllten Bedingungen zu einer Alarmgebung 46", beispielsweise im eingestellten 10ms-Takt, führt.
Es wird deutlich, dass bei den in der Überwachungsebene 16 zum Ansatz kommenden Auswertealgorithmen insbesondere Crestfaktor- beziehungsweise Histogrammanalysen eingesetzt sind.
Figur 5 zeigt in einem Blockschaltbild die Auswertealgorithmen der Temperatursignale, die in der Gesamtmenge der Signale 18 zur Verfügung stehen. Die Überwachung der Temperaturen erfolgt in der Überwachungsebene 14, da über die Temperaturüberwachung so genannte Heißläufer erkannt werden können, die infolge von Lagerschädigungen entstehen können.
Die der gemessenen Temperatur der einzelnen Lagerhalbschalen entsprechenden Temperatursignale werden in 1s-Schritten erfasst und in einem Zeitfenster von 30 s gemittelt (Schritt 84). Diese somit zur Verfü- gung stehenden acht gemittelten Temperaturwerte bilden die Merkmale M8. Ferner werden Differenzen (Schritt 86) zwischen den gemittelten Temperatursignalen eines Drehgestells und der jeweiligen Temperatur einer einzelnen Lagerhalbschale ermittelt, so dass weitere vier Merkmale Mg (Drehgestell 1) und weitere vier Merkmale Mio (Drehgestell 2) jeweils einer Grenztemperatur ΔT = Tindividueii - Tmittei entsprechend zur Verfügung stehen. Somit stehen insgesamt weitere sechzehn Merkmale 36' in der Überwachungsebene 14 zur Verfügung.
Die Merkmale 36' werden anschließend auf eine Grenzwertüberschrei- tung einer drehgestellspezifisch vorgebbaren Maximaltemperatur geprüft. Als weiteres Überwachungskriterium dient die Differenz der Indi- vidualtemperatur eines Lagers und der gemittelten Temperatur aller Lagerhalbschalen eines Drehgestelles, die ebenfalls einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten darf. Die in der Signalverarbeitung ermittelte lagerspezifische Temperaturabweichung ΔT wird auf einen Schwellwert überwacht, der als Parameter einstellbar ist. Ferner ist die drehgestellspezifische Maximaltemperatur Tmaχ als Alarmparameter programmierbar. Entsprechend dieser vorgebbaren Schwellwerte erfolgt die Überprüfung 88 dahingehend, ob die Temperatur Tindi idueii > Tmax oder die Temperatur Tindividueii > Tmittei + ΔTgrenz ist. Die aus der Ü- berprüfung der Parameter maximal resultierenden Alarmsignale 42' (acht Alarmsignale As, vier Alarmsignale Ag, vier Alarmsignale A10) werden der Verknüpfungslogik 68 zugeführt, die die Alarmsignale miteinander verknüpft und bei erfüllten Bedingungen zu einer Alarmgebung 46', beispielsweise im eingestellten 30s-Takt, führt.
Figur 6 zeigt in einem Blockschaltbild das gesamte Überwachungssystem 10 mit den Auswertealgorithmen in den Überwachungsebenen 12, 14 und 16. Insgesamt ergibt sich somit folgende zusammengefasste Signalverarbeitung beziehungsweise Ermittlung von Merkmalen, A- larmbits und über die Verknüpfungslogiken ausgelöste Alarme. Im Ein- zelnen sind diese Vorgehensweisen bereits anhand der vorhergehenden Figuren erläutert worden.
Bei zwei Drehgestellen pro Waggon mit jeweils acht Kanälen ergeben sich sechzehn Beschleunigungskanäle pro System. Die Geschwindig- keit v wird für das Gesamtsystem einmal erfasst. Pro Drehgestell existieren vier Temperaturkanäle, das heißt pro Waggon acht Temperaturkanäle. Die Zusammenstellung in Figur 7 setzt sich aus den bereits beschriebenen Diagnoseaufgaben der Figuren 3 bis 6 zusammen und zeigt nochmals die gewählte Form des Meldekonzepts über logische Verknüpfungen in den drei unterschiedlichen Signalverarbeitungs- Szenarien mit an die Aufgabenstellung angepassten Reaktionszeiten. Die Überprüfung auf Grenzwertverletzungen erfolgt bei der Frequenzbereichsüberwachung nach erfolgter Spektrenselektion in einstellbaren Zeitfenstern (120 beziehungsweise 180/240/300/360 Sekunden). Angewandt wird die Überwachung auf sechzehn Beschleunigungssignale sowie acht Kohärenz- und Phasenkombinationen je Fahrzeug. Bei den Amplitudenspektren sind acht Überwachungsbänder und acht Parameter (2 x Amplitude, 2 x Frequenz, 4 x Dämpfung), das heißt 1024 Alarmbits pro Fahrzeug, bei den Kohärenz-/Phasensignalen (2 x Amplitude / 2 x Frequenz) entsprechend 256 Alarmbits pro Fahrzeug vor- handen. Maximal können bei der Frequenzüberwachung acht frei wählbare Alarmbits verknüpft werden und lösen nach Abprüfung durch ein Zeitglied eine externe Alarmgebung aus. Das Zeitglied stellt sicher, dass nur über das Verknüpfungsergebnis zweier aufeinander folgender abgespeicherter Messungen (Spektrenermittlungen) eine Alarmbedin- gung erfüllt ist, um einen Alarm nach extern weiterzugeben.
Bei der Messdatenerfassung im Zeitbereich erfolgt die Datenerfassung und Signalalarmüberprüfung für Histogramm und Crestfaktor alle 10 ms. Angewandt wird diese Vorgehensweise auf die acht Lagersignale eines Fahrzeuges. Pro Fahrzeug werden vierzig Alarmbits gesetzt.
Bei der Kurtosisüberwachung stehen alle 30 Sekunden neue Wertepaare zur Überwachung bereit. Bei Anwendung auf die beiden Frequenzbereiche (high/low) der acht Lagersignale eines Fahrzeuges stehen sech- zehn Alarmbits zur Verfügung.
Im direkten Zusammenhang mit der Lagerschwingungsüberwachung mittels Kurtosis steht die Überwachung der Lagertemperaturen. Jede Lagertemperatur wird auf zwei Alarmbedingungen hin abgeprüft (Tmaχ und ΔTgrenze)- Somit stehen pro Fahrzeug sechzehn Alarmbits zur Verfügung. Das Ergebnis der Lagertemperaturüberwachung liegt dabei ebenfalls im 30s-Zeittakt wie die Kurtosisüberwachung vor, das heißt, bei der Verknüpfung von Kurtosis und Temperaturalarmen wird keine Verwaltung unterschiedlicher Zeittakte notwendig. Die ermittelten A- larmbits werden in ein Kurtosis-Temperatur-Signalalarmfile geschrieben, welches alle 30 Sekunden aktualisiert wird. Die Signalalarme wer- den im Logikeditor verknüpft und führen bei erfüllter Bedingung zur A- larmgebung.
Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau des Überwachungssystems 10. Das Überwachungssystem 10 ist modular aufgebaut, so dass eine se- parate Inbetriebnahme (der einzelnen Überwachungsebenen 12, 14 und 16) sowie ein schneller Austausch einzelner der Komponenten sowie die Möglichkeit einer individuellen Anpassung an andere Bedingungen möglich ist. Die Signale 18 der nicht dargestellten Sensoren werden über eine Signalkonditionierung 100 an die Eingangsbereiche von Analog/Digital-Umsetzern 102 angepasst. Die Analog/Digital-Umsetzer 102 sind entsprechend der erforderlichen Kanalanzahl der zu verarbeitenden Signale und der Umsetzrate von 32 kSamples pro Sekunde realisiert. Die Analog/Digital-Umsetzer sind an einen digitalen Signalprozessor (DSP) 104 angeschlossen, in dem die Signalverarbeitung bezie- hungsweise -bearbeitung, die Merkmalsextraktion, die Grenzwertevergleiche sowie die Alarmgebung - entsprechend der Erläuterung zu den vorhergehenden Figuren - realisiert ist. Dem digitalen Signalprozessor 104 ist ein Flash-Speicher 106 zum Laden des Programmes und ein externer Speicher 108 zum Ablegen der Daten zugeordnet. Die Ab- laufsteuerung des digitalen Signalprozessors 104 erfolgt durch ein Rechensystem 110, dem für eine temporäre Speicherung der Messdaten eine Flash-Speicherdisc 112 zugeordnet ist. Ferner ist dem Rechensystem 110 ein Festplattenspeicher 114 zugeordnet. Durch diese Ausstattung wird ermöglicht, während des bestimmungsgemäßen Einsat- zes des Schienenfahrzeuges die Daten während der Fahrt auf den Flash-Speicher 112 zu schreiben und erst im Stillstand des Schienenfahrzeuges eine Umschreibung der Daten (Kopieren) auf den Festplat- tenspeicher 114 vorzunehmen. Hierdurch wird die Datensicherheit des Überwachungssystems 10 erhöht. Die Größe des Flash-Speichers 112 muss hierbei der maximalen Fahrzeit des Schienenfahrzeuges angepasst sein und kann nach jedem erfolgten Überspielen auf den Fest- plattenspeicher 114 neu beschrieben werden.
Es wird deutlich, dass durch die Systemlösung ein sicherer Betrieb des Überwachungssystems 10 im mobilen Bereich unter Einhaltung erhöhter Anforderungen an Robustheit, Stabilität und Energieeffizienz mög- lieh ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen des Fahπterhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Komponenten von Schienen- fahrzeugen, wobei gleiche und/oder unterschiedliche Betriebsparameter (Messsignale) des Schienenfahrzeuges beziehungsweise von Komponenten des Schienenfahrzeuges während dessen bestimmungsgemäßen Einsatzes erfasst und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Zuord- nung zu Überwachungsebenen einer Überwachungshierarchie, zur Erzielung das Fahπ/erhalten charakterisierender, ereignisabhängiger Aussagen, die Betriebsparameter (Messsignale), wenigstens einer Überwachungsebene zugeführt werden, wobei je nach Zuordnung zu einer der Überwachungsebenen die Be- triebsparameter (Messsignale) in den Überwachungsebenen gleichen und/oder unterschiedlichen Auswertealgorithmen unterzogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Betriebsparameter (Messsignale), die gleich o- der unterschiedlich sein können, innerhalb einer Überwachungsebene miteinander verknüpft werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Überwachungsebenen (12, 14, 16) vorgesehen sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Überwachungsebene (12) allgemeine Diagnosen zur Erfassung von Schäden, Fehlern oder dergleichen durchgeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überwachungsebene (12) die den Betriebsparametern (Messsignalen) entsprechenden Signale Frequenzauswerteverfahren, insbesondere Spektralanalysen, Korrelationen oder der- gleichen, unterzogen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Überwachungsebene (14) zu risikobehafteten Fahrsituationen führende fortgeschrittene Schäden, Fehler oder dergleichen erkannt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überwachungsebene (14) die den Betriebsparametern (Messsignalen) entsprechenden Signale statistischen Auswerte- verfahren, insbesondere Kurtosiswertermittlungen, unterzogen werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Überwachungsebene (16) ein Aggregateschutz erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Überwachungsebene (16) die den Betriebsparametern (Messsignalen) entsprechenden Signale Zeitbereichsauswerte- verfahren, insbesondere Crestfaktor- und Histogrammanalyse, unterzogen werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter (Messsignale) Be- schleunigungssignale von Komponenten des Schienenfahrzeuges, Temperatursignale von Komponenten des Schienenfahrzeuges, ein Ist-Geschwindigkeitssignal des Schienenfahrzeuges, eine Kilometerlaufleistung des Schienenfahrzeuges erfasst werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Betriebsparameter
(Messsignale) in den unterschiedlichen Überwachungsebenen mit einer unterschiedlichen Zeitdauer erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle in einer Überwachungsebene (12,
14, 16) auftretenden Fehlersignale jeweils einer Verknüpfungslogik (44, 68, 82) zur Gewinnung von Alarmmeldungen (12', 14', 16') zugeführt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindestgeschwindigkeit des Schienenfahrzeuges als Führungsgröße fungiert.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale, die Auswertungen und/oder die Meldungen über eine wählbare Zeitspanne gespeichert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung der Daten während einer Fahrt des Schienenfahrzeuges auf einem Zwischenspeicher (flash) erfolgt und bei Stillstand des Schienenfahrzeuges die Daten auf einem Festplattenspeicher oder dergleichen umgeschrieben werden.
16. Vorrichtung zum Überwachen des Fahrverhaltens von Schienenfahrzeugen und der Diagnose von Komponenten von Schienenfahrzeugen, gekennzeichnet durch erste Mittel zum Erfas- sen von Betriebsparametern (Messsignalen) des Schienenfahrzeuges beziehungsweise von Komponenten des Schienenfahrzeuges, zweite Mittel zum Zuordnen der Betriebsparameter (Messsignale) zu verschiedenen Überwachungsebenen (12, 14, 16) eines Überwachungssystems (10), in den Überwachungsebenen (12, 14, 16) gleiche und/oder unterschiedliche Auswertealgorithmen der den Betriebsparametern (Messsignalen) entsprechenden Signale ermöglichende dritte Mittel sowie vierte Mittel zum Generieren von der Auswertung in den Überwa- chungsebenen (12, 14, 16) zugeordneten Meldungen (12', 14',
16') beziehungsweise Aktionen.
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