Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 und verschiedene Verwendungen dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren ist dann durchzuführen, wenn Signale, z.B. Sensor-Ausgangssignale, nicht nur durch solche physikalischen Vorgänge hervorgerufen werden, deren Erfassung erwünscht ist, sondern auch von Vorgängen oder Einflüssen, die nicht erfaßt werden sollen, und die somit als Störungen erkannt und elimiert werden müssen.

Manchmal tritt auch das Problem auf, daß unterschiedliche Beeinflussungen eines Sensors erfaßt, aber in ihrer Art voneinander unterschieden werden sollen.

Dis zuerst genannte Problem tritt z. B. bei der Zählung von Eisenbahnachsen mit Hilfe von sogenannten elektromagnetischen Schienenkontakten auf, das zuletzt genannf ^p Problem z. B. bei der Zählung von Straßenfahrzeugen mit Hilfe von Induktionsschleifen, wenn dabei verschiedene Fahrzeugarten (PkW, LkW) getrennt erfaßt werden sollen.

Schienenkontakte für Achszähleinrichtungen und ihre Arbeitsweise sind z.B. in einem Aufsatz von G. Hoffmann und H. Uebel in "Signal & Draht" 77 (1985), Heft 4 auf Seite 72-77 beschrieben. Induktionsschleifen zur Fahrzeugerfassung sind zur Steuerung von Verkehrssignalanlagen verbreitet im Einsatz.

Beim Schienenkontakt erzeugt ein an der Außenseite einer Schiene befestigter Sendekopf ein magnetisches Wechselfeld, das von einer Empfangsspule in einem an der Innenseite der Schiene, dem Sendekopf gegenüber befestigten Empfangskopf aufgenommen und in ein elektrisches Ausgangssignal umgesetzt wird. Ein durchgehendes Rad verändert das magnetische Wechselfeld und erzeugt eine Amplitudenschwächung, eine sogenannte Radabsenkung, die, wie in dem oben genannten Aufsatz beschriebenen Fall, noch mit einer Phasenumkehr des Trägers des Ausgangssignals einhergehen kann. Diese Radabsenkung wird mit einem vorgebenen Schwellenwert verglichen und, falls sie diesen unterschreitet, als Achsdurchgang gewertet und einer Gleisfreimeldeeinrichtung zugeführt.

Die heute eingesetzten Schienenkontakte sind durch elektromagnetische Einstreuungen störbar. Moderne Schienenfahrzeuge tragen zunehmend Magnetschienenbremsen oder Wirbelstrombremsen, die mit ihren starken magnetischen Streufeldern Schienenkontakte so beeinflussen können, daß diese fehlerhafterweise durchgehende Achsen melden. In Schienennähe befindliche oder dorthin absenkbare ferromagnetische Massen an Fahrzeugen, wie z. B. Wirbelstrombremsen, können zudem, auch ohne aktiviert zu sein, das Magnetfeld eines Schienenkontaktes verändern und so fälschlicherweise die Abg^e eines Achszählimpulses auslösen. Derartige Störungen führen letztlich dazu, daß ein Gleisabschnitt, der an sich frβigefahren ist, besetzt gemeldet bleibt und den weiteren Fährbetrieb behindert.

Ein Verstellen des Schwellenwertes, mit dem die Radabsenkungen verglichen werden, ändert zwar die Empfindlichkeit des Schienenkontaktes, ist aber zur Unterdrückung der beschriebenen Störungen nicht geeignet, da diese Störungen einerseits in ihrer Amplitude durchaus die Größe von zu erfassenden Radabsenkungen erreichen können und andererseits der Schwellenwert nur geringfügig geändert werden darf, damit sichergestellt bleibt, daß alle Radabsenkungen, die infolge unterschiedlicher Radgrößen und unterschiedlicher Durchgangsgeschwindigkeiten in Amplitude und Zeitdauer stark variieren, sicher erfaßt werden.

Für die Erfassung von über eine Induktionsschleife fahrenden Straßenfahrzeugen gilt prinzipiell dasselbe. Ein durch ein zu erfassendes Fahrzeug bestimmter Art verursachter Signalverlauf muß von Störungen und von durch Fahrzeuge anderer Art hervorgerufenen Signalen unterschieden werden können, was durch eine einfache Amplitudenbewertung und die Erfassung der Einwirkungsdauer nicht gewährleistet ist.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Verfahren anzugeben, mit dem Signalverläufe den sie auslösenden physikalischen Vorgängen mit hoher Sicherheit zugeordnet und Störsignale sicher ausgeschieden werden können. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung sowie verschiedene Verwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren anzugeben.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die in den Ansprüchen 1 und 8 angegebenen Merkmale g ^p 'öst.

Durch die Annäherung des Signalverlaufes durch eine definierte, den Signalverlauf bei Ablauf eines bestimmten physikalischen Vorganges erfahrungsgemäß gut wiedergebende mathematische Funktion, z. B. eine Parabel 2. oder 3. Ordnung, wird die Möglichkeit geschaffen, die Form des Signalverlaufs zu erfassen und als Kriterium dafür zu benutzen, daß ein bestimmter zu erwartender physikalischer Vorgang -im Falle des

ERSArZBLATT (REGEL 26)

Schienenkontaktes z. B. ein Raddurchgang - stattgefunden hat, und die erfaßte Signaländerung keinem anderen physikalischen Vorgang, etwa einer Beeinflussung des Schienenkontaktes durch das Magnetfeld einer Wirbelstrombremse, oder einer anderweitigen Störung zuzuschreiben ist.

Im Falle von über eine Induktionsschleife fahrenden Straßenfahrzeugen kann mittels des Verfahrens nach der Erfindung ein durch ein Fahrzeug bestimmter Art verursachter Signalverlauf durch die Erfassung und Bewertung seiner Form von Signalverläufen, die durch Fahrzeuge anderer Art oder beliebige Störungen verursacht werden, unterschieden werden.

Hierbei sind Verfahren zur Annäherung von Meßkurven durch mathematische Funktionen (sogenanntes curve-fitting) für sich bekannt. Siehe hierzu z. B. Programmesammlung William H. Press et al. "Numerical Recipes in C", erschienen 1988 bei Cambridge University Press, published by the Press Syndicate of the University of Cambridge. The Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge CB21 RP, GB, Seiten 528-535.

Nachdem lineare Veränderungen des Signalverlaufs, etwa eine durch höhere Verstärkung hervorgerufene höhere Signalamplitude oder eine durch niedrigere Ablaufgeschwindigkeit des physikalischen Vorganges bedingte Dehnung des Signalverlaufes über der Zeitachse bei der Bildung des Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen Signalverlauf und angenäherter Parabel nicht in Erscheinung treten, kann bei dieser Korrelation immer in etwa derselbe Kreuzkorrelationskoeffizient als Ergebnis erwartet werden. Ein Kreuzkorrelationskoeffizient, deutlich niedriger als der zu erwartende Wert, sagt dann aus, daß nicht der zu erfassende physikalische Vorgang - z. B. der Durchgang eines Rades durch das Magnetfeld eines Schienenkontaktes - sondern ein anderer Vorgang stattgefunden hat, oder daß überhaupt nur eine Störung aufgrund elektromagnetischer Einstreuung aufgetreten ist.

Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.

ERSATZBLAπ (REGEL 26)

Hier betrifft Anspruch 2 eine Ausgestaltung, die geeignet ist, mehrere mögliche Signalverläufe unterschiedlichen physikalischen Vorgängen selektiv zuzuordnen. So können z. B. über eine in der Straßendecke verlegte Induktionsschleife hinwegfahrende Fahrzeuge nach Größe und Form unterschieden und getrennt erfaßt werden, so daß Zählergebnisse für LkW, PkW und Zweiräder mit einem einzigen Sensor und dennoch getrennt voneinander gewonnen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch in ganz anderen technischen Bereichen Anwendung finden, z. B. in der Sicherungstechnik, wo, um Fehlalarme zu vermeiden, die bei Eindringen eines Menschen in einen gesicherten Bereich entstehenden elektrischen, akustischen oder optischen Signale von Signalen, die durch Wind und Wetter oder durch Tiere verursacht werden, unterschieden werden müssen, oder in Bereichen, wo z. B. akustische Signale auf Schäden an mechanischen Teilen (z. B. Lagerschäden) hinweisen können, oder, wie beim Klopfen eines Verbrennungsmotors, eine falsche Einstellung von Betriebsparametem verraten.

Gegenstand der Ansprüche 3 und 4 sind verschiedene, zur Annäherung an häufiger vorkommende Signalverläufe geeignete mathematische Funktionen.

Eine in Anspruch 5 beschriebene Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung sieht die Auswertung der an die Signalverläufe jeweils optimal angepaßten mathematischen Funktionen anstelle einer Auswertung der Signalverläufe selbst zur Bestimmung der Signalmaxima, oder -minima, der zeitlichen Mittelpunkte oder anderer Bezugspunkte in den Signalverläufen, die bestimmten Stadien der zugeordneten physikalischen Vorgänge entsprechen, vor. Die zeitliche Mitte eines Signalverlaufes kann dann unmittelbar numerisch der dem Signalverlauf angenäherten Funktion entnommen werden.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen Verwendungen des Verfahrens nach der Erfindung.

Anspruch 8 beschreibt eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Sie gestattet die Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte mit Hilfe eines Rechners z. B. unter Verwendung von in der oben genannten Programmesammlung enthaltenen Programmen.

Anhand von 4 Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung und einer zu dessen Durchführung geeigneten Einrichtung beschrieben werden.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Den Signalverlauf an einem elektromagnetischen

Schienenkontakt bei Durchfahrt eines Drehgestells ohne und mit Wirbelstrombremse.

Fig. 2 Ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 3 verschiedene Signalverläufe und deren Annäherung durch eine mathematische Funktion.

Fig. 4 Korrelationsergebnisse, die unterschiedliche Beeinflussungen wiedergeben.

In Fig. 1 ist die Amplitude U des Ausgangssignals eines elektromagnetischon Schienenkontaktes über der Zeit (Signalverlauf SV) während der Durchfahrt eines Drehgestells eines Eisenbahnwagens aufgetragen. Die durchbrochene Linie tm mittleren Bereich WBR des Signalverlaufs SV zeigt dabei den Signalverlauf bei Durchfahrt eines Drehgestells, das keine Wirbelstrombremse besitzt an, diedurchgezogene Linie in diesem Bereich

gibt den Signalverlauf bei Durchfahrt eines Drehgestells mit zwischen beiden Rädern angeordneter Wirbelstrombremse wieder. Zur Auswertung erfaßt wird die sogenannte Radabsenkung, der Anteil des Signalverlaufs der mit Unterschreiten einer Schwelle SW durch die Signalamplitude im Zeitpunkt t-, für die erste Achse und im Zeitpunkt t ₅ für die zweite Achse beginnt und mit dem Wiedererreichen der Schwelle im Zeitpunkt t ₂ bzw. t ₆ endet. Die in Fig. 1 dargestellten Radabsenkungen sind wirklichen Raddurchgängen zugeordnet, die somit erkannt und weiterverarbeitet werden können.

In Fig. 1 ist jedoch noch eine weitere Signalabsenkung unter die Schwelle SW wiedergegeben. Diese beginnt im Zeitpunkt t ₃ und endet im Zeitpunkt . ₄ . Sie tritt nur bei Drehgestellen mit Wirbelstrombremse auf, besitzt - hier ohne weiteres erkennbar - eine von einer Radabsenkung abweichende Form und wird von der auf geringe Höhe über der Schiene abgesenkten Wirbelstrombremse verursacht. Diese Absenkung darf nicht als Radabsenkung registriert werden, da mit ihr kein Raddurchgang verbunden ist. Würde sie, z.B. bei Einfahrt in einen Gleisabschnitt, als Raddurchgang gezählt und bei Ausfahrt aus dem Gleisabschnitt infolge inzwischen angehobener Wirbelstrombremse nicht mehr auftreten, so würde der Gleisabschnitt nicht freigemeldet und könnte erst nach umständlicher Überprüfung wieder für Zugfahrten freigegeben werden.

Um die von der Wirbelstrombremse und eventuellen anderweitigen Störungen verursachten Absenkungen von echten Radabsenkungen unterscheiden zu können, werden alle auftretenden Radabsenkungen in digitaler Form gespeichert und einer Rechenoperation unterworfen, in der ihre Ähnlichkeit mit bekannter.* den einzelnen physikalischenVorgängen (Raddurchgang, Beeinflussung durch Wirbelstrombrerase etc.) zugeordneten Signalverläufen ermittelt und bewertet wird.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild der hierzu erforderlichen Einrichtung:

ERSÄTZBLATT (REG:!. 26)

Das Ausgangssignal des hier nicht dargestellten elektromagnetischen Schienenkontaktes wird über einen Eingang E, eine Anpassungsschaltung AB und einen A/D-Wandler AD einer Schwellenwertschaltung SWS zugefä-ährt. Diese ist, wie in der Figur dargestellt, einem Rechner R vorgeschaltet oder ist Teil dieses Rechners und vergleicht den Verlauf der digitalisierten Signalamplitude mit einer im Rechner oder einem gesonderten Speicher abgespeicherten Schwelle SW. Bei Unterschreiten der Schwelle gibt die Schwellenwertschaltung ein erstes Triggersignal an den Rechner R aus, das eine Zeitmessung startet und den Rechner zur Speicherung des Signalverlaufes veranlaßt, bis ein zweites Triggersignal bei Wiedererreichen der Schwelle die Speicherung beendet. Jeder unterhalb der Schwelle verlaufende Teil des Signalverlaufes wird somit als eine Folge von Abtastwerten über der Zeit gespeichert, wobei als zeitlicher Bezugspunkt der Zeitpunkt des Unterschreitens der Schwelle dient.

Im Rechner R oder den ihm zugeordneten Speichern SP sind nun eine Reihe von mathematischen Funktionen gespeichert, von denen bekannt ist, daß sie sich zur Beschreibung von durch bestimmte physikalische Vorgänge verursachten Signalverläufen eignen. So eignen sich erfahrungsgemäß quadratische oder kubische Parabeln zur Beschreibung von echten Radabsenkungen. Der Rechner wird deshalb nach einem bekannten, ebenfalls abgespeicherten Programm (sog. curve fitting-Programm) eine derartige Parabel, d. h. deren Koeffizienten so lange ändern, bis die zwischen der Parabel und der Signalverlaufskurve eingeschlossene Fläche ein Minimum wird. Beispielhafte Ergebnisse einer solchen Rechnung sind Fig. 3 zu entnehmen: Hier zeigt z. B. Fig. 3a den Signalverlauf SB einer Radabsenkung an einem elektromagnetischen Schienenkontakt, die recht gut durch eine Ausgleichsparabel F angenähert werden konnte. Fig. 3b zeigt einen Signalverfauf an demselben Schienenkontakt, dem eine zur Beschreibung eines Raddurchganges geeignete Parabel (Funktion F) nur schlecht angenähert werden konnte und der dadurch als nicht zu einem Raddurchgang gehörend erkannt, wird.

Um die Annäherung objektiv bewerten zu können, wird als Maß für die Ähnlichkeit der Kreuzkorrelationskoeffizient zwischen Signalverlauf und optimal angenäherter Funktion (Parabel) vom Rechner ermittelt. Besitzt dieser einen Wert nahe 1 (100%), so entspricht die angenäherte Parabel dem Signalverlauf sehr weitgehend. Mit zunehmender Unähnlichkeit zwischen Parabel und Signalverlauf nimmt der Kreuzkorrelationskoeffizient ab. Für Fig. 3a beträgt der Kreuzkorrelationskoeffizient z. B. 99,6%, für Fig. 3b nur noch 81 ,9%. Legt man einen zwischen beiden Werten liegenden Kreuzkorrelations-Sollwert fest (z. B. 95%), so kann man, diesen als Schwellenwert benutzend, mittels eines Schwellenwertvergleichs der Kreuzkorrelationskoeffizienten ein Kriterium dafür gewinnen, daß ein Raddurchgang stattgefunden hat. Störungen und Beeinflussungen durch Wirbelstrombremsen (Fig. 3b) oder Magnetschienenbremsen führen zu Kreuzkorrelationkoeffizienten, die weit unter dem Sollwert liegen und aufgrunddessen von der Zählung der Radimpulse ausgenommen werden können. In Fig. 4 ist in einem Diagramm mit logarithmischer Teilung der Ordinate die Differenz zwischen dem ermittelten

Kreuzkorrelationskoeffizienten und dem für maximale Ähnlichkeit erhältlichen Wert 1 für eine Zugfahrt mit abgesenkter, aber nicht aktivierter Wirbelstrombremse aufgetragen. Im Diagramm ist klar zu erkennen, mit welcher Deutlichkeit hier zwischen Radabsenkung und Störung (Ereignisse 6, 11 , 18) unterschieden werden kann. Für Fahrten mit aktivierter Wirbelstrombremse treten die Unterschiede zwischen Radabsenkung und Störung durch die Wirbelstrombremse noch deutlicher als in Fig. 4 zutage.

Die Berechnung der Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen tatsächlichem und angenähertem Signalverlauf und deren Vergleich mit einem abgespeicherten Kreuzkorrelations-Sollwert hat, wie schon eingangs erwähnt, den Vorteil, daß lineare Änderungen in der Amplitude und der Breite des gesamten aufgezeichneten Signalverlaufes, wie sie durch unterschiedliche Geschwindigkeit des Raddurchgangs und unterschiedliche Radgrößen hervorgerufen werden, nicht besonders berücksichtigt zu werden brauchen, da sie in den Kreuzkorrelationskoeffizienten nicht eingehen. Es

werden also nur die Signatur des Signalverlaufs, nicht aber seine Skalierungswerte zur Auswertung herangezogen.

Es kann somit dem Rechner in Fig. 2 eine weitere Schwellenwertschaltung SWK nachgeschaltet werden, der der ermittelte Kreuzkorrelationskoeffizient und der abgespeicherte Kreuzkorrelations-Sollwert zugeführt werden und deren Ausgang A dann das Signal "erkannter Raddurchgang" entnommen werden kann.

Die angenäherte Funktion steht im Rechner zur Verfügung. Es können deshalb über einen Ausgang F einzelne Werte dieser Funktion anstelle von entsprechenden Werten des Signalverlaufes aus dem Rechner abgerufen werden. Dies gilt insbesondere für die Mitte des aufgezeichneten Signalverlaufes, der z. B. der Lage des Scheitelpunktes einer angenäherten Parabel entspricht, aber auch für Beginn und Ende des Signalverlaufes. Da kurzzeitige Störungen und örtliche Unsymmetrien eine angenäherte Parabel viel weniger beeinflussen als den Signalverlauf selbst, lassen sich die genannten Punkte mit großer Genauigkeit festlegen.

Das vorstehend für elektromagnetische Schienenkontakte beschriebene Verfahren einschließlich der zur Durchführung vorgeschlagenen Einrichtung läßt sich auf vielen anderen, wie z. B. den genannten Anwendungsgebieten vom jeweiligen Fachmann leicht realisieren. Dies gilt insbesondere für Anwendungen, bei denen unmittelbar elektrische Ausgangssignale auszuwerten sind. Mit dem Einsatz entsprechender Wandler lassen sich jedoch auch optische oder akustische Signale auswerten.

Der beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Digitalisierung des Signalverlaufes vorgenommene Schwellwertvergleich kann dabei selbstverständlich auch bereits vor der Digitaüsierung in einer analog arbeitenden Schaltung stattfinden.

ERSATZBLAπ (REGEL 26)