Verfahren und Anordnung zur Überwachung eines Rad-Schiene- Kontakts bei einem Schienenfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Rad-Schiene-Kontakts bei einem Schienen fahrzeug.

Bei einem Schienenfahrzeug kommt dem als Rad-Schiene-Kontakt bezeichneten Kontakt zwischen der Lauffläche des Rads bzw. der Radscheibe und der vom Schienenfahrzeug befahrenen Schie ne eine besondere Bedeutung zu.

Dieser Kontakt ist beim Schienenfahrzeug maßgeblich für den erfolgreichen Einsatz einer Spurkranzschmieranlage, einer Be sandungsanlage, einer Neigetechnik bei Bogenfahrt, etc.

Der Rad-Schiene-Kontakt bestimmt damit unmittelbar den siche ren Fährbetrieb des Schienenfahrzeugs.

Es ist bekannt, dass sich der Rad-Schiene-Kontakt durch un vermeidbaren Verschleiß der Komponenten des betriebenen Schienenfahrzeugs ändert, so dass das Laufverhalten des Schienenfahrzeugs verschlechtert und damit der erfolgreiche Einsatz der oben genannten Technologien reduziert bzw. gänz lich verhindert wird.

Ursachen für diese Verschlechterung sind beispielsweise Riss bildungen in Rad und Schiene, Rad-Unrundheiten, die bei spielsweise durch Schlupf oder Gleiten des Rads auf der Schiene entstehen oder Materialermüdungen bzw. Oberflächen- BeSchädigungen, die als „Ausbröckelungen" bezeichnet werden und an Rad bzw. Schiene auftreten, etc. Diese Verschlechterungen haben unmittelbaren Einfluss auf den sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs und auf vorzunehmende Wartungsarbeiten am Rad des Schienenfahrzeugs bzw. an der Schiene .

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Be trieb des Schienenfahrzeugs den Rad-Schiene-Kontakt zu über wachen, um nachfolgend durch den Einsatz geeigneter Maßnahmen den sicheren Betrieb des Schienenfahrzeugs aufwandsarmen zu gewährleisten .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine An ordnung zur Überwachung eines Rad-Schiene-Kontakts bei einem Schienenfahrzeug .

Am Schienenfahrzeug ist eine hochauflösende Kamera angeord net, die auf einen Bereich ausgerichtet ist, in dem ein Rad des Schienenfahrzeugs eine vom Schienenfahrzeug befahrene Schiene kontaktiert.

Durch die Kamera werden hochauflösende Kamerabilder angefer tigt, die in diesem Kontaktbereich sowohl das Rad als auch die Schiene zeigen.

Die angefertigten Bilder werden mit vorliegenden Referenzbil dern bzw. Normbildern, die Rad und Schiene in einem Idealzu stand bzw. in einem unbeschädigten Zustand zeigen, vergli chen. Mit Hilfe des Vergleichs werden Abweichungen zwischen den ak tuell angefertigten Bildern und den Referenzbildern erkannt. Überschreiten die Abweichungen ein vorgegebenes Ausmaß bzw. eine vorgegebene Schwelle, wird die erkannte Abweichung als Schaden an Rad und/oder Schiene eingestuft.

Als Schäden werden insbesondere Beschädigungen, Unebenheiten, Risse (auch in einem Frühstadium) oder andere Veränderungen am Rad bzw. an der Schiene erkannt bzw. detektiert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei einem erkannten Schaden am Rad und/oder Schiene für den Schienenfahrzeugfüh- rer und/oder für eine landseitige Kontrollstelle eine zugehö rige Warnmeldung generiert.

Dies ermöglicht eine zeitnahe Anwendung bzw. Durchführung ei ner Gegenmaßnahme, um dem Schaden effektiv zu begegnen - bei spielsweise kommt als Gegenmaßnahme eine Notbremsung, eine Schnellbremsung, eine Aktivierung einer SpurkranzSchmierung, einer Besandungsanlage, etc., in Betracht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die angefertigten Bilder digitalisiert, um den Vergleich mit den ebenfalls in digitaler Form vorliegenden Referenzbildern durchzuführen.

Die beschriebene digitale Ausgestaltung erlaubt den Einsatz von an sich bekannten, digitalen Methoden der Bildverarbei tung beim Vergleich der digitalen Kamerabilder und bei der vorzunehmenden Schadenserkennung samt Schadens-Einstufung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Kamerabilder als Information an eine FahrzeugSteuerung des Schienenfahr- zeugs übermittelt. Basierend auf der Auswertung der Kamerabi lder bzw. basierend auf erkannten Schäden am Rad bzw. an der Schiene wird über die FahrzeugSteuerung eine entsprechend ge- eignete Gegenreaktion veranlasst (wie beispielhaft vorstehend beschrieben ist).

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden für das Rad als Referenzbilder Kamerabilder verwendet, die vor einer ggf. ersten Einleitung bzw. Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs in den Schienenverkehr angefertigt wurden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt der Vergleich der Bilder zeitaktuell, d.h. im laufenden Betrieb des Schie nenfahrzeugs .

Wird ein Schaden an der Schiene erkannt, wird in einer bevor zugten Weiterbildung das zugehörige Bild mit einer Positi onsinformation versehen. Dadurch ist der erkannte Schaden eindeutig für Reparaturzwecke bestimmbar.

Die PositionsInformation wird in einer bevorzugten Weiterbil dung mit Hilfe eines GPS-Geräts zur Verfügung gestellt.

Wird ein Schaden an der Schiene erkannt, wird in einer bevor zugten Weiterbildung das zugehörige Bild mit einer Zeitinfor- mation versehen. Dadurch ist ein zeitlicher Verlauf einer Schadensentwicklung im Rahmen einer Langzeitdokumentation be stimmbar.

Wird ein Schaden am Rad erkannt, wird in einer bevorzugten Weiterbildung das zugehörige Bild mit weiteren Informationen versehen - beispielswiese mit Informationen bezüglich Tonna ge, die vom Schienenfahrzeug transportiert wird, bezüglich der Wetterlage (Regen, Eis, Schnee, Temperatur, Nebel, etc.), bezüglich des Schienenzustands (Neubau, Altbestand, Teilrepa riert, etc.). Dadurch wird eine nachfolgende Analyse aufge- tretener Schäden in Abhängigkeit von weiteren Faktoren ermög licht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden mit Hilfe der Bildverarbeitung Bilder des Rads, bevorzugt der Radscheibe bzw. der Radlauffläche, verarbeitet.

Die Bildverarbeitung ermöglicht dabei das automatische Erken nen von Veränderungen und von Fehlern an der Radlauffläche.

Da die Bildinformation im Rechner digital vorliegt, können durch angewendete Rechenoperationen interessierende Bildaus schnitte als „field of interest" verändert dargestellt und erkannte Schäden besonders deutlich angezeigt, dargestellt und analysiert werden.

Die Bildverarbeitung bzw. Bildanalyse zur Schadensdetektion erfolgt bevorzugt in einem bordeigenen Rechner des Schienen fahrzeugs oder über eine landseitige Kontrollstation.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Kamera eine CCD-Kamera oder CMOS-Kamera verwendet. Diese Bauformen sind besonders dazu geeignet, bei im Betrieb des Schienenfahrzeugs auftretenden hohen Beschleunigungen zuverlässig zu funktio nieren.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Kamera eine 3D- Kamera verwendet. Diese ermöglicht es, bei einer durchgeführ ten Bildanalyse Schäden dreidimensional auszuwerten - bei spielwiese werden so bei Rissen deren Länge als auch deren Tiefe analysierbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung setzt die Kamera bzw. deren Kameraelektronik aufeinanderfolgende Bilder in ein standardisiertes, bevorzugt digitales, Videosignal um, das als analoges Signal Helligkeits-Informationen und Farbver- 1auf-Informationen enthält.

Über eine zeilenmäßig durchgeführte Abtastung des Videosig nals bzw. der Bilderfolge sind Änderungen bzw. Schäden beson ders leicht detektierbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere bzw. alle Räder des Schienenfahrzeugs über jeweilige Kameras entspre chend der Erfindung überwacht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden zur Bildanalyse der Kamerabilder Methoden der Binärbildverarbeitung, der Grauwertbildverarbeitung oder der Farbbildverarbeitung ver wendet. Dabei werden durch die Bildverarbeitung bestimmte Bi1dmerkma1e, z.B. eine Bildung von Rissen auf der Radlauf fläche, hervorgehoben: wird beispielswiese ein Bild so digi talisiert, dass es nur wenige Graustufen aufweist, dann kann eine Rissbildung oder eine andere Veränderung an der Radlauf fläche sehr leicht detektiert bzw. erkannt werden.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung des Rad-Schiene-Kontakts, sowohl im Fährbetrieb als auch beim Stillstand des Schienenfahrzeugs.

Durch die vorliegende Erfindung werden negative Erscheinungen bzw. ZustandsVerschlechterungen im als Radaufstandspunkt be- zeichneten Kontaktbereich zwischen Rad und Scheine und auf der Radlauffläche gleichzeitig detektiert.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein schnelles Diagnosti zieren von Verschleiß bzw. von verschiedenen Verschleißformen sowie von Veränderungen am Rad, insbesondere an dessen Rad lauffläche, bzw. an der Schiene, insbesondere am Schienen kopf, etc. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine vergrößerte Dar stellung diagnostizierter Schäden an einem Bildschirm für Warn- bzw. Analysezwecke sowie deren Dokumentation.

Durch die vorliegende Erfindung werden entstehende Schäden frühzeitig erkannt. Durch zeitnah eingeleitete Maßnahmen bzw. Reparaturen werden weitere Schäden in ihrem Ausmaß bzw. Un fallgefahren zumindest reduziert bzw. gänzlich vermieden.

Durch die vorliegende Erfindung werden Imageschäden bei den Betreibern vermieden, die jeder Unfall unweigerlich nach sich ziehen würde.

Durch die vorliegende Erfindung werden Wartungsarbeiten sowie WartungsIntervalle reduziert, so dass sich für die Betreiber eine Kosteneinsparung ergibt.

Durch die vorliegende Erfindung wird bei den Betreibern eine laufende Systemverbesserung erzielt. Durch die Überwachung der Komponenten werden etwaige Schwachstellen frühzeitig er kannt und eine zielgerichtete Weiterentwicklung der Komponen ten ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung ist bei Neufahrzeugen leicht und mit geringem Aufwand implementierbar und ist auch bei beste henden Schienenfahrzeugen, die sich bereits im operativen Be trieb befinden, mit geringem Aufwand nachrüstbar.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine automatische Mel dung bzw. Dokumentation von erkannten Schäden über eine Kom munikationsplattform, wie beispielsweise Railigent, an eine landseitige Kontrollstelle. Unter einer „landseitigen" Kontrollstelle wird dabei eine vom Schienenfahrzeug räumlich getrennte, im allgemeinen ortsfeste Kontrollstelle bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Bildung von ge fährlichen Rissen auf dem Spurkranz der Radscheibe frühzeitig zu erkennen. Diese treten auf, weil Radscheiben durch das Fahren auf einer Strecke hohen thermomechanischen Wechselbe anspruchungen unterworfen sind. Derartige Risse sind keine Seltenheit und können in der Anwesenheit von hohen, thermisch bedingten Eigenspannungen sogar zum Radbruch führen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen Spurkranzver schleiß, der vor allem in engen Schienenbögen auftritt, früh zeitig zu erkennen. Durch den Verschleiß wird der Spurkranz dünner und steiler, so dass seine Festigkeit eingeschränkt wird.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert . Dabei zeigt:

FIG 1 und FIG 2 Komponenten der Erfindung in zwei Ansichten, FIG 3 einen durch das erfindungsgemäße Verfahren detektierten ersten Schaden,

FIG 4 einen durch das erfindungsgemäße Verfahren detektierten zweiten Schaden, und

FIG 5 ein Ablaufdiagramm zum erfindungsgemäßen Verfahren.

FIG 1 zeigt Komponenten der Erfindung in einer ersten An sicht, während FIG 2 eine zugehörige zweite Ansicht zeigt.

An einem hier nicht näher dargestellten Schienenfahrzeug ist eine Kamera KAM befestigt und wird dazu verwendet, um eine optische Überwachung eines Kontaktbereichs KTB durchzuführen. Im Kontaktbereich KTB berührt ein Rad RD des Schienenfahr zeugs eine vom Schienenfahrzeug befahrene Schiene SCH.

Die Kamera KAM wird dazu verwendet, hochauflösende Kamerabil der anzufertigen, die sowohl das Rad RD als auch die Schiene SCH im Kontaktbereich KTB zeigen.

Von der Kamera KAM wird dabei bevorzugt ein Abstand DIS zwi schen einer Radlauffläche des Rads RD und einem Schienenkopf der Schiene SCH erfasst.

Die angefertigten Bilder werden mit vorliegenden, zugehörigen Referenzbildern verglichen. Die Referenzbilder zeigen ent sprechend Rad und Schiene in einem jeweils unbeschädigten Zu stand.

Anhand des Vergleichs werden Abweichungen zwischen den ange fertigten Bildern und den zugehörigen Referenzbildern automa tisiert detektiert. Eine Abweichung wird als Schaden an Rad RD und/oder an der Schiene SCH erkannt und eingestuft, wenn die zugehörige Abweichung ein vorgegebenes Ausmaß überschrei tet.

FIG 3 zeigt mit Bezug auf die vorstehenden Figuren einen der artigen detektierten Schaden SDS, bei dem es sich hier um ei nen Oberflächenschaden (Unrundheit bzw. Abflachung) an der Radlauffläche des Rads RD handelt.

Derartige Schäden entstehen beispielsweise beim so genannten „Gleiten" des Rads RD auf der Schiene. Unter dem Begriff Gleiten wird ein umdrehungsfreies Rutschen des Rads RD bzw. des gebremsten Rads RD auf der Schiene SCH verstanden. Beim Gleiten wird bei einer Bremsung mit erhöhter Bremskraft das gebremste Rad blockiert, am Rad RD bzw. an dessen Radlaufflä che entstehen Schäden durch einen erhöhten Materialabtrag.

FIG 4 zeigt mit Bezug auf die vorstehenden Figuren einen wei teren detektierten Schaden SDS, bei dem es sich hier um eine Rissbildung RIB am Rad RD handelt.

Derartige Schäden entstehen beispielsweise durch Material schwächen oder Materialfehler oder durch Überbeanspruchung des Rads RD im operativen Betrieb des Schienenfahrzeugs.

Zu sehen ist außerdem ein als „field of interest" bezeichne- ter Bereich, der mit Hilfe eines Bildverarbeitungsprogramms im Rahmen der Erfindung vergrößert darstellbar ist, um De tails des Schadens SDS, hier der Rissbildung RIB, genauer aufzuzeigen .

FIG 5 beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ablaufdiagramms .

In einem ersten Schritt S1 wird am Schienenfahrzeug eine Ka mera zur optischen Überwachung eines Kontaktbereichs, in dem ein Rad des Schienenfahrzeugs eine vom Schienenfahrzeug be fahrene Schiene berührt, dazu verwendet, um hochauflösende Kamerabilder anzufertigen. Diese zeigen im Kontaktbereich so wohl das Rad als auch die vom Rad befahrene Schiene.

Als Kamera wird eine hochauflösende 3D-Kamera verwendet, de ren Bilder eine räumliche Analyse von Schäden ermöglichen.

In einem zweiten Schritt S2 werden die angefertigten Bilder der Kamera mit vorliegenden zugehörigen Referenzbildern ver glichen . Die Referenzbilder zeigen Rad und Schiene in einem unbeschädigten Zustand. Der Vergleich der Bilder wird zeitaktuell, d.h. im laufenden Betrieb des Schienenfahrzeugs, durchgeführt.

Die von der Kamera angefertigten Bilder werden digitalisiert und mit den ebenfalls in digitaler Form vorliegenden Refe renzbildern verglichen. Der Vergleich selbst werden mit Hilfe von an sich bekannten, digitalen Bildverarbeitungsverfahren durchgeführt .

In einem dritten Schritt S3 werden anhand des Vergleichs Ab weichungen zwischen den angefertigten Bildern und den zugehö rigen Referenzbildern automatisiert detektiert.

Die Feststellung bzw. Detektion der Abweichungen erfolgt mit Hilfe von an sich bekannten, digitalen Bildverarbeitungsver fahren.

In einem vierten Schritt S4 wird eine Abweichung als Schaden an Rad und/oder an der Schiene erkannt und eingestuft, wenn die zugehörige Abweichung ein vorgegebenes Ausmaß überschrei tet. Dabei werden beispielsweise Beschädigungen der Oberflä che, Unebenheiten, Risse und/oder MaterialVerfärbungen als Abweichung erkannt und je nach Ausmaß als Schaden eingestuft.

Das Ausmaß wird mit Hilfe von sich bekannten, digitalen Bild verarbeitungsverfahren und Bildbewertungsalgorithmen festge legt bzw. bestimmt.

Auch die Einstufung einer Abweichung als Schaden erfolgt mit Hilfe von an sich bekannten, digitalen Bildverarbeitungsver fahren. In einem fünften Schritt S5 wird bei einem erkannten Schaden am Rad und/oder an der Schiene eine zugehörigen Warnmeldung generiert, die an einen Schienenfahrzeugführer und/oder an eine landseitige Kontrollstelle übermittelt wird.

Alternativ oder ergänzend dazu wird bei einem erkannten Scha den am Rad und/oder an der Schiene eine zugehörige Informati on generiert, die an eine FahrzeugSteuerung des Schienenfahr- zeugs übermittelt wird.

Diese Information wird im operativen Betrieb des Schienen fahrzeugs durch Auslösung einer Gegenmaßnahme berücksichtigt - beispielsweise wird als Gegenmaßnahme eine Notbremsung, ei ne Schnellbremsung, eine Aktivierung einer SpurkranzSchmie rung oder einer Besandungsanlage, etc., vorgenommen.

Alternativ oder ergänzend dazu wird bei einem erkannten Scha den am Rad und/oder an der Schiene das zugehörige Bild der Kamera

- mit einer PositionsInformation versehen, und/oder

- mit einer ZeitInformation versehen, und/oder

- mit Informationen bezüglich Tonnage, Wetterlage oder Schienenzustand versehen.