Beschreibung

System und Verfahren zur Oberflächenerfassung einer Gleisstrecke

Technisches Gebiet

[01] Die Erfindung betrifft ein System zur Oberflächenerfassung einer Gleisstrecke, umfassend ein Schienenfahrzeug, einen Oberflächenscanner und eine Auswerteeinrichtung. Zudem betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Verwendung in dem System und ein Verfahren zum Betreiben des Systems.

Stand der Technik

[02] Aus dem Stand der Technik kennt man mehrere Systeme und Verfahren zum Erfassen von Oberflächenstrukturen einer Gleisstrecke, wobei ein Oberflächenscanner zum Einsatz kommt. Die AT 519739 A4 offenbart ein Verfahren mit einem an einer Gleisbaumaschine angeordneten Oberflächenscanner. Die damit erfassten Oberflächendaten werden genutzt, um Objekte im Gleis zu erkennen und daraus Vorgaben für eine automatisierte Ansteuerung der Gleisbaumaschine abzuleiten.

[03] Aus der AT 520291 A4 sind ein System und ein Verfahren bekannt, bei dem mittels eines Oberflächenscanners benachbarten Einrichtungen eines Gleises erfasst werden. Einrichtungen mit einer bekannten Geometrie, beispielsweise eine Bahnsteigkante oder eine Oberleitungsanlage dienen in weiterer Folge als Referenzobjekte für die Bestimmung einer Gleislage.

[04] Die AT 520526 A4 beschreibt ein Schienenfahrzeug und ein Verfahren mit einem Oberflächenscanner zur Erfassung von Oberflächenpunkten einer Gleisstrecke. Dabei ist auf einer ersten Messplattform ein Inertialmesssystem zur Erfassung einer Trajektorie eines Gleisverlaufs angeordnet. Der Oberflächenscanner ist auf einer zweiten Messplattform angeordnet, auf der sich ein zweites Inertialmesssystem zur Erfassung einer weiteren Trajektorie befindet. Mit den erfassten Trajektorien werden die mittels des Oberflächenscanners erfassten Oberflächenkoordinaten auf den Gleisverlauf referenziert. 2

Darstellung der Erfindung

[05] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art gegenüber dem Stand der Technik dahingehend zu verbessern, dass ein vielseitigerer und effizienterer Einsatz ermöglicht wird. Dabei soll eine entsprechend verbesserte Anordnung verwendet werden. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine entsprechend verbessertes Verfahren zum Betreiben des Systems anzugeben.

[06] Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 10. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

[07] Dabei ist am Schienenfahrzeug eine Aufnahmeeinrichtung zum temporären Befestigen und Anschließen des Oberflächenscanners angeordnet, wobei in einer Bedienkabine des Schienenfahrzeugs eine mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelte Anschlusseinrichtung für die Auswerteeinrichtung angeordnet ist und wobei die Auswerteeinrichtung in einem tragbaren Gehäuse mit Strom- und Datenanschlüssen zur temporären Verbindung mit der Anschlusseinrichtung angeordnet ist. Die permanente Systemausrüstung des Schienenfahrzeugs beschränkt sich auf die Aufnahmeeinrichtung für den Oberflächenscanner, die Anschlusseinrichtung für die Auswerteeinrichtung und die Verkabelung oder sonstige Kopplung der beiden Einrichtungen. Somit ist das Schienenfahrzeug für einen sofortigen Einsatz des Systems vorbereitet, wobei der Oberflächenscanner und die Auswerteeinrichtung nicht permanent mitgeführt werden müssen. Der Oberflächenscanner ist nur dann in der Aufnahmeeinrichtung befestigt, wenn er genutzt wird. Auch das Gehäuse mit der Auswerteeinrichtung wird nur während einer entsprechenden Messfahrt mitgeführt. Bei einem sonstigen Betrieb des Schienenfahrzeugs können diese Systemkomponenten anderweitig Verwendung finden. Auch der Austausch gegen neuere Versionen dieser Systemkomponenten wird mit dem erfindungsgemäßen System erheblich vereinfacht. Dasselbe gilt für den Austausch defekter Systemkomponenten.

[08] In einer Weiterbildung des Systems ist der Oberflächenscanner als Rotationslaserscanner ausgebildet, wobei insbesondere der Oberflächenscanner mit einer Anschlussplatte eine Einheit bildet, die temporär 3 an der Aufnahmeeinrichtung befestigbar und anschließbar ist. Der Rotationslaserscanner liefert während einer Vorwärtsfahrt des Schienenfahrzeugs eine hochauflösende Punktwolke der Oberflächen des Gleises und seiner Umgebung. Mit der Anschlussplatte ist der Oberflächenscanner positionsgenau auf der Aufnahmeeinrichtung arretiert. Die Erfassung von Koordinaten der Oberflächenpunkte erfolgt somit in einem vorgegebenen Koordinatensystem, das sich mit dem Schienenfahrzeug mitbewegt. In die Anschlussplatte sind die Anschlüsse des Oberflächenscanners integriert. Mit der Anbringung auf der Aufnahmeeinrichtung werden somit auch die Daten- und Versorgungsleitungen mitangeschlossen.

[09] Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass an den Oberflächenscanner eine Inertialmesseinheit angeschlossen ist. Diese Inertialmesseinheit erfasst die Bewegungen des Oberflächenscanners im dreidimensionalen Raum. Die mittels des Oberflächenscanners erfassten Koordinaten der Oberflächenpunkte sind somit auf ein ortsfestes Koordinatensystem transformierbar.

[10] Das tragbare Gehäuse wird in vorteilhafter Weise weitergebildet, indem es eine zentrale Recheneinheit als Element der Auswerteeinrichtung umfasst, wobei in der Recheneinheit ein Algorithmus zur Auswertung von mit dem Oberflächenscanner erfassten Daten eingerichtet ist. Die zentrale Recheneinheit dient dabei auch zur Verarbeitung von weiteren Eingabe- und Ausgabedaten.

[11] Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das tragbare Gehäuse einen Netzwerkrouter umfasst, wobei am Gehäuse Netzwerkanschlüsse angeordnet sind. Mit dieser Zusatzausstattung ist die Auswerteeinrichtung an externe Einrichtungen anschließbar, beispielsweise an einen Laptop oder einen Drucker. Auch der Anschluss an den Oberflächenscanner erfolgt vorteilhafterweise über einen Netzwerkanschluss.

[12] In einer verbesserten Ausführung des Systems umfasst das Schienenfahrzeug einen Wegmesssensor zur Erfassung einer Fahrstrecke, wobei der Wegmesssensor mit der Anschlusseinrichtung gekoppelt ist. Bei angeschlossenem Gehäuse empfängt die Auswerteeinrichtung ein Wegsignal 4 dieses Wegmesssensors, um die Fahrtrichtung zu bestimmen und um die mit dem Oberflächenscanner erfassten Oberflächenpunkte einem Fahrweg entlang der befahrenen Gleisstrecke zuzuordnen. Dabei kommt idealerweise ein bereits auf dem Schienenfahrzeug für andere Anwendungen verbauter Wegmesssensor zum Einsatz.

[13] Einen weiteren Vorteil bietet ein auf dem Schienenfahrzeug befindlicher Stromabnehmer, wobei eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung des Stromabnehmers mit der Anschlusseinrichtung gekoppelt ist. Auf diese Weise wird der angeschlossenen Auswerteeinrichtung gemeldet, ob der Stromabnehmer abgesenkt oder gegen eine Oberleitung gedrückt ist. Diese Information wird bei der Erfassung des Oberleitungsverlaufs mittels des Oberflächenscanners genutzt. Mittels eines in der Auswerteeinrichtung eingerichteten Detektionsalgorithmus wird insbesondere die Charakteristik eines Fahrdrahtes erfasst, beispielsweise die Höhe oder der Zick-Zack-Verlauf. In weiterer Folge kann daraus auch eine Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht abgeleitet werden. Da im Zuge der Punktwolkenanalyse auch die Schienen detektiert werden, ist ein direkter Bezug der Fahrdrahtlage zu den genormten Messpunkten der Schienenoberkannte herstellbar. Bei Nutzung eines Rotationslaserscanners mit hoher Abtastrate erfolgt die Erfassung bei hohen Fahrgeschwindigkeiten. Mit der Erfassung einer hochauflösenden Punktwolke können auch Sonderfälle wie zum Beispiel doppelte Fahrdrähte detektiert werden.

[14] Eine vorteilhafte Erweiterung des Systems umfasst ein zweites Schienenfahrzeug mit einer Aufnahmeeinrichtung zum temporären Befestigen und Anschließen des Oberflächenscanners und mit einer Anschlusseinrichtung für die Auswerteeinrichtung. Der Oberflächenscanner und das Gehäuse mit der Auswerteeinrichtung sind dabei auf beiden Schienenfahrzeugen abwechselnd nutzbar.

[15] In einer erfindungsgemäßen tragbaren Anordnung weist das Gehäuse, welches die Auswerteeinrichtung umfasst, zumindest einen Griff auf. Das Gehäuse gleicht somit einem Koffer, der als tragbare Einheit zur Verwendung in einem der beschriebenen Systeme eingerichtet ist. Idealerweise umfasst das kofferartige Gehäuse ein zusätzliches Staufach, in dem der 5

Oberflächenscanner verstaubar ist. Auf diese Weise sind die austauschbaren Systemkomponenten einfach und sicher transportierbar.

[16] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des zumindest zwei Schienenfahrzeuge umfassenden Systems sieht vor, dass der Oberflächenscanner und die Auswerteeinrichtung mit dem ersten Schienenfahrzeug betrieben werden, dass danach der Oberflächenscanner und das Gehäuse mit der Auswerteeinrichtung von dem ersten Schienenfahrzeug entfernt und an die Aufnahmeeinrichtung und die Anschlusseinrichtung des zweiten Schienenfahrzeugs angeschlossen werden und dass in weiterer Folge der Oberflächenscanner und die Auswerteeinrichtung mit dem zweiten Schienenfahrzeug betrieben werden. Somit können mehrere Schienenfahrzeuge, die regelmäßig auf unterschiedlichen Gleisstrecken verkehren, genutzt werden, um diese Gleisstrecken mit nur einem Oberflächenscanner und einer Auswerteeinrichtung zu erfassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 Schienenfahrzeug auf einer Gleisstrecke Fig. 2Systemkomponenten

Beschreibung der Ausführungsformen

[18] Das in Fig. 1 dargestellte Schienenfahrzeug 1 ist beispielsweise ein Triebwagen oder eine Gleisbaumaschine mit einer nach vorne freien Stirnseite 2. Solche Fahrzeuge werden in der Regel für andere Zwecke als zur Erfassung einer Gleisoberfläche genutzt. Deren Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil eine Gleisvermessung im Regelbetrieb dieser Fahrzeuge durchführbar ist. Jedoch auch ein Messwagen an sich kann als Trägerfahrzeug sinnvoll sein, um vorhandene Messsysteme mit einer Oberflächenerfassung zu ergänzen.

[19] Das Schienenfahrzeug 1 umfasst vorteilhafterweise einen eigenen Antrieb. Ein Fahrzeugrahmen oder Fahrzeugkasten 3 ist mit Schienenfahrwerken 4 auf 6 einem Gleis 5 verfahrbar. An der Stirnseite 2 ist eine Bedienkabine 6 aufgebaut. Am Dach des Schienenfahrzeugs 1 ist ein Stromabnehmer 7 angeordnet. Über diesen Stromabnehmer 7 wird das Schienenfahrzeug 1 bei vorhandener Oberleitung 8 mit elektrischer Energie versorgt. Vorteilhafterweise ist ein Hybridsystem vorgesehen, das den Betrieb des Schienenfahrzeugs 1 auch bei fehlender oder abgeschalteter Oberleitung 8 sicherstellt. Beispielsweise umfasst das Schienenfahrzeug 1 zusätzlich einen Verbrennungsmotor oder einen elektrischen Energiespeicher.

[20] Für eine Messfahrt ist das Schienenfahrzeug 1 mit Systemkomponenten zur Erfassung von Oberflächenstrukturen einer befahrenen Gleisstrecke ausgestattet. Erfindungsgemäß sind ein Oberflächenscanner 9 und eine Auswerteeinrichtung 10 als mobile Systemkomponenten ausgebildet. Diese sind nicht fix verbaut, sondern mittels einfach lösbarer Anschlüsse vorübergehend mit dem Schienenfahrzeug 1 verbindbar. Konkret ist der Oberflächenscanner 9 temporär an einer stirnseitigen Aufnahmeeinrichtung 11 befestigbar. Die Auswerteeinrichtung 10 ist in einem tragbaren Gehäuse 12 angeordnet und in der Bedienkabine 6 auf einer Anschlusseinrichtung 13 platzierbar.

[21] Dabei umfasst das Gehäuse 12 einen Griff 14, um die Auswerteeinrichtung 10 einfach und sicher transportieren zu können. An einer Außenseite des Gehäuses 12 befindet sich eine Kontakteinheit 15 mit Stromanschlüssen 16 und Datenanschüssen 17, die mit entsprechenden Anschlüssen der Anschlusseinrichtung 13 in Kontakt gebracht werden. Vorteilhafterweise sind am Gehäuse 12 zusätzlich Stromsteckdosen angeordnet, um bei Bedarf Peripheriegeräte anzuschließen. Die Aufnahmeeinrichtung 11 und die Anschlusseinrichtung 13 sind permanent im Schienenfahrzeug 1 angeordnet und miteinander gekoppelt, beispielsweise über ein Bussystem.

[22] Bei Aktivierung des Systems werden insbesondere Schienen 18, Schwellen 19, Schienenbefestigungen 20, ein Schotterbett 21, Bahnsteige 22 und Elemente der Oberleitung 8 erfasst. Dazu gehören ein Fahrdraht 23, ein Tragseil 24, Masten 25 und Befestigungselemente. Zur Erfassung eines Fahrweges s umfasst das Schienenfahrzeug 1 einen Wegmesssensor 26. Beispielsweise ist 7 an einer Achse eines Schienenfahrwerks 4 ein Drehgeber (Encoder) zur Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit angeordnet.

[23] Als Oberflächenscanner 9 ist vorteilhafterweise ein Rotationslaserscanner angeordnet (z.B. ein Laser der Fa. RIEGL Laser Measurement Systems Gesellschaft m.b.H. mit der Bezeichnung VUX-1HA). Solche Oberflächenscanner 9 liefern mittels eines rotierenden, von Oberflächen reflektierten Laserstrahls 27 eine Punktwolke mit einer hohen Auflösung.

Damit können auch feine Oberflächenstrukturen des Gleises 5 erfasst werden. In einer Weiterbildung ist der Oberflächenscanner 9 mit einer Inertialmesseinheit 28 gekoppelt. Diese Inertialmesseinheit 28 registriert Lageänderungen des Oberflächenscanners 9 bezüglich eines ortsfesten Koordinatensystems. Damit ist auf einfache Weise eine Koordinatentransformation der erfassten Punktwolke durchführbar.

[24] Im tragbaren Gehäuse 12 ist als Element der Auswerteeinrichtung 10 eine Recheneinheit 29 verbaut (z.B. Programmable Automatic Controller, PAC), in dem ein Auswertealgorithmus eingerichtet ist. Über einen internen Bus ist die Recheneinheit 29 mit einem Schnittstellenkonverter 30 (z.B. RS422 Converter) und der Kontakteinheit 15 gekoppelt. Zudem umfasst das Gehäuse 12 einen Gleichspannungswandler 31, der eine Versorgungsspannung der Auswerteeinrichtung 10 in eine Versorgungsspannung des Oberflächenscanners 9 wandelt. Eine Ausgangsleitung ist über ein am Gehäuse 12 angeordnetes Bedienelement 32 geführt, um die Energieversorgung des Oberflächenscanners 9 ein- und auszuschalten.

[25] Über einen Netzwerkrouter 33 (z.B. Ethernet-Router) und Netzwerkanschlüsse 34 und sonstige Schnittstellen 35 (z.B. USB) sind externe Geräte an das Gehäuse 12 anschließbar. Das sind beispielsweise ein Drucker 36 und ein Laptop 37 zur Ein- und Ausgabe von Daten. Beispielsweise sind damit Parameteranpassungen oder Softwareupdates möglich. Am Bildschirm des Laptops 37 können aktuell erfasste Daten angezeigt werden. Optional ist im Gehäuse 12 ein Touch Panel PC 38 verbaut, um Daten einzugeben und anzuzeigen.

[26] Des Weiteren ist ein Datenspeicher 39 anschließbar. Durch eine Verspeicherung der mittels des Systems erfassten Daten sind nachfolgende 8

Auswertungen möglich. Beispielsweise können im Anschluss an bereits durchgeführte Messfahrten Auswertungen in einer entfernten Systemzentrale erfolgen, wobei Korrekturen für noch präzisere Ergebnisse anwendbar sind. Eine web-basierte Softwarelösung bietet einem Benutzer weitere Möglichkeiten, zum Beispiel die Erstellung eines elektronischen Berichts, der diverse Vorgaben gültiger Normen berücksichtigt. Das ist insbesondere für die Nutzung des Systems auf Gleisbaumaschine vorteilhaft, weil mit Arbeitsaggregaten vorgenommene Änderungen am Gleis 5 mittels des Oberflächenscanners 9 erfassbar und in weiterer Folge dokumentierbar sind.

[27] Über die Anschlusseinrichtung 13 ist die Auswerteeinrichtung 10 an eine Stromversorgung 40 des Schienenfahrzeugs 1 anschließbar. Vorteilhafterweise umfasst das Gehäuse 12 einen Energiespeicher 41, der über einen der Stromanschlüsse 16 aufladbar ist. In einer Erweiterung ist der Energiespeicher 41 ein Element einer unterbrechungsfreien Stromversorgung. Mit geladenem Energiespeicher 41 ist die Auswerteeinrichtung 10 auch außerhalb des Schienenfahrzeugs 1 aktivierbar, beispielsweise um Parameteränderungen vorzunehmen oder Softwareupdates durchzuführen.

[28] In einer Weiterbildung ist die Anschlusseinrichtung 13 mit einer Steuerungseinrichtung 42 des Schienenfahrzeugs 1 gekoppelt. Auf diese Weise sind der Auswerteeinrichtung 10 Zustandsdaten des Schienenfahrzeugs 1 zuführbar. Beispielsweise erhält die Auswerteeinrichtung 10 ein Meldesignal, aus dem hervorgeht, ob der Stromabnehmer 7 angehoben oder abgesenkt ist. Diese Information wird bei einer Lageerfassung des Fahrdrahts 23 mittels des Oberflächenscanners 9 genutzt. Insbesondere wird eine Lageänderung infolge einer Anpresskraft des Stromabnehmers 7 registriert.

[29] Die Aufnahmeeinrichtung 11 umfasst vorteilhafterweise eine Konsole mit Positionierungselementen 43 und Arretierelementen 44 zur Befestigung des Oberflächenscanners 9 in einer präzise festgelegten Position. Der Oberflächenscanner 9 umfasst ein eigenes Gehäuse 45, in dem ein Laserinterface 46 eingerichtet ist. Über eine eigene Kontakteinheit 47 ist der Oberflächenscanner 9 mit Strom- und Datenanschlüssen 16, 17 der Aufnahmeeinrichtung 11 verbindbar. Vorteilhafterweise sind die Kontakte als Steckverbindungen in einer Anschlussplatte 48 des Oberflächenscanners 9 9 ausgebildet. Im Zuge einer temporären Anbringung des Oberflächenscanners 9 auf der Aufnahmeeinrichtung 11 werden die Strom- und Datenanschlüsse 16, 17 jeweils selbsttätig kontaktiert.