VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR BESTIMMUNG DES BEWEGUNGSZUSTANDS EINES SCHIENENFAHRZEUG-RADS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Bewe gungszustands eines Rads eines Schienenfahrzeugs in Bezug zur Schiene, die vom Rad des Schienenfahrzeugs befahren wird.

In der Eisenbahntechnik wird fachsprachlich unter dem Begriff „Schleudern" ein Durchdrehen eines Rads bzw. eines angetrie benen Rads auf einer Schiene verstanden. Beim Schleudern ist somit eine Umfangsgeschwindigkeit des Rads sehr viel größer als eine zugeordnete Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahr- zeugs.

Beim Schleudern ist das ReibungsVerhältnis zwischen dem ange triebenen Rad und der Schiene zu gering, das angetriebene Rad dreht quasi „leer" durch, insbesondere an der Schiene entste hen Schäden durch einen erhöhten Materialabtrag.

Bei Schienenfahrzeugen sind sogenannte Schleuderschutz- Einrichtungen vorgesehen, die beim Anfahren des Schienenfahr- zeugs durch eine kurzzeitige Zugkraftreduzierung das Schleu dern verhindern sollen, um eine optimierte Zugkraft- Übertragung vom Antrieb des Schienenfahrzeugs auf die Schiene zu gewährleisten.

Unter dem Begriff „Gleiten" wird ein umdrehungsfreies Rut schen des Rads bzw. des gebremsten Rads auf der Schiene ver standen. Beim Gleiten ist somit die Umfangsgeschwindigkeit des Rads sehr viel kleiner als die zugeordnete Fahrgeschwin digkeit des Schienenfahrzeugs.

Beim Gleiten ist das ReibungsVerhältnis zwischen einer auf das Rad wirkenden Bremse zu hoch, das gebremste Rad blo ckiert, insbesondere am Rad entstehen Schäden durch einen er höhten Materialabtrag. Bei Schienenfahrzeugen sind sogenannte Gleitschutz- Einrichtungen vorgesehen, die beim Bremsen des Schienenfahr zeugs durch eine kurzzeitige Bremskraftreduzierung das Glei ten verhindern sollen, um eine optimierte Bremskraft- Übertragung vom Bremssystem des Schienenfahrzeugs auf die Schiene zu gewährleisten.

Unter dem Begriff „Rollen" wird eine „normale" Drehbewegung des Rads verstanden, bei der beim operativen Betrieb, beim Anfahren und auch beim Bremsen die Umfangsgeschwindigkeit des Rads zumindest ungefähr der zugeordneten, jeweiligen Fahrge schwindigkeit des Schienenfahrzeugs entspricht.

Zusammengefasst bilden Schleudern, Gleiten und Rollen drei Bewegungszustände des Rads des Schienenfahrzeugs.

Es sind verschiedene Systeme für einen Schleuderschütz bzw. für einen Gleitschutz bekannt, die auf Messungen von unter schiedlichen physikalischen Größen basieren und dazu Sensoren verwenden . Beispielsweise wird dazu die Winkelgeschwindigkeit des Rads über einen Tachogenerator bestimmt oder es wird das Drehmoment eines Antriebs über Messgrößen des zugehörigen Strom-/SpannungsWandlers bestimmt.

Diese Systeme sind aufgrund der beschriebenen Messmethodik oft zu langsam und reagieren dadurch zu spät auf auftretende Probleme beim Antrieb bzw. beim Bremsen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ver bessertes Verfahren zur Bestimmung des Bewegungszustands ei nes Schienenfahrzeug-Rads anzugeben, das bei einem geringen zusätzlichen Aufwand eine reaktionsschnelle und zuverlässige Bestimmung des Betriebszustand ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist Kamera-basiert und verwen det an sich bekannte bildverarbeitende Methoden, bzw. bild verarbeitende Algorithmen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Bewe gungszustands eines Rads eines Schienenfahrzeugs in Bezug zur Schiene, die vom Rad des Schienenfahrzeugs befahren wird, werden mit einer Kamera, die am Schienenfahrzeug auf einen Rad-Schiene-Bereich fokussiert ist, aufeinanderfolgende Bil der des Rad-Schiene-Bereichs aufgenommen. Der Rad-Schiene- Bereich beinhaltet zumindest einen Teilbereich eines Rads des Schienenfahrzeugs sowie zumindest einen Teilbereich einer vom Rad zu befahrenden Schiene.

In den Bildern wird ein Bereich ermittelt, längs dem sich die Teilbereiche des Rads und der Schiene berühren.

In einem ersten Bild wird seitens des Teilbereichs bzw. im Teilbereich der Schiene zumindest ein charakteristischer Punkt ermittelt, der im ersten Bild und in darauffolgenden Bildern optisch eindeutig wiedererkennbar ist. Dieser Punkt ist dem Teilbereich der Schiene als Bestandteil zuordenbar.

Entsprechend wird im ersten Bild seitens des Teilbereichs bzw. im Teilbereich des Rads zumindest ein charakteristischer Punkt ermittelt, der im ersten Bild und in den darauffolgen den Bildern optisch eindeutig wiedererkennbar ist. Dieser Punkt ist dem Teilbereich des Rads als Bestandteil zuorden bar.

Für aufeinanderfolgende Bilder werden jeweilige Abstände der charakteristischen Punkte zum Berührungsbereich bestimmt. Aus einer Abstandsänderung der charakteristischen Punkte zum Be- rührungsbereich, die sich über die aufeinanderfolgenden Bil der ergibt, wird der Bewegungszustand des Rads bestimmt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Gerade als Be reich ermittelt, längs der sich die Teilbereiche des Rads und der Schiene berühren.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Teilbereich der Schiene deren Schienenkopf durch die Kamera gefilmt und/oder wird als Teilbereich des Rads dessen Radlaufläche durch die Kamera gefilmt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Kamera ein hochauflösendes Kamerasystem verwendet wird und/oder wird als Kamera ein System verwendet, das im Infrarotlicht-Bereich oder im Ultraviolettlicht-Bereich arbeitet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als Bewegungszu stände des Rads entweder Rollen oder Gleiten oder Schleudern bestimmt.

Für den Fall, dass sich sowohl der Abstand zwischen dem Be rührungsbereich und dem charakteristischer Punkt des Teilbe reichs der Schiene als auch der Abstand zwischen dem Berüh rungsbereich und dem charakteristischer Punkt des Teilbe reichs des Rads gleichmäßig und gleichgerichtet verändern, wird als Bewegungszustands des Rads „Rollen" bestimmt.

Für den Fall, dass sich der Abstand zwischen dem Berührungs bereich und dem charakteristischen Punkt des Teilbereichs des Rads verändert, während der Abstand zwischen dem Berührungs bereich und dem charakteristischer Punkt des Teilbereichs der Schiene im Wesentlichen unverändert bleibt, wird als Bewe gungszustands des Rads „Schleudern" bestimmt.

Für den Fall, dass sich der Abstand zwischen dem Berührungs bereich und dem charakteristischen Punkt des Teilbereichs der Schiene verändert, während der Abstand zwischen dem Berüh- rungsbereich und dem charakteristischen Punkt des Teilbe reichs der Schiene im Wesentlichen unverändert bleibt, wird als Bewegungszustands des Rads „Gleiten" bestimmt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden sowohl seitens des Teilbereichs der Schiene als auch seitens des Teilbe reichs des Rads eine Vielzahl an charakteristischen Punkten verwendet, um über jeweilige AbStandsänderungen zum Berüh rungsbereich die Analyse des Bewegungszustands zu verfeinern und um entsprechend fein abgestimmte Gegenregulierungen zum Schleudern bzw. Gleiten beim Schienenfahrzeug einzuleiten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Information bezüglich der ermittelten Betriebsart an eine Antriebsrege- lung des Schienenfahrzeugs und/oder an eine Bremsregelung des Schienenfahrzeugs übertragen, um beim Schienenfahrzeug eine jeweilige Gegenregulierung zu veranlassen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird durch die Antriebs regelung des Schienenfahrzeugs bei erkanntem Schleudern am Schienenfahrzeug eine Zugkraftreduzierung vorgenommen, um dem Schleudern zumindest entgegenzuwirken. Entsprechend wird durch die Bremsregelung des Schienenfahrzeugs bei erkanntem Gleiten am Schienenfahrzeug eine Zugkraftreduzierung vorge nommen, um dem Gleiten zumindest entgegenzuwirken.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Kamerabilder zur Überwachung und/oder zur Bewertung eines Schienenzustands einer Schienenstrecke verwendet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden als charakteris tische Punkte Beschädigungen, Oberflächenänderungen, Oberflä chenverfärbungen und/oder Strukturen am Teilbereich der Schiene bzw. des Rads verwendet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung werden als charakteris tische Punkte Markierungen verwendet, die am Teilbereich der Schiene bzw. am Teilbereich des Rads angebracht sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, sowohl Schleudern als auch Gleiten eines angetriebenen oder abgebremsten Rads sehr schnell, zuverlässig und präzise festzustellen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ermöglicht, sowohl beim Rad, genauer bei der Radlauffläche, als auch bei der Schiene, genauer beim Schienenkopf, Verschleiß zu reduzieren bzw. diesen gänzlich zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Verbesserung bzw. Optimierung einer Antriebsregelung bzw. einer Bremsrege lung, mit denen das Schienenfahrzeug im Betrieb beaufschlagt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine aktuelle oder auch eine nachträglich erfolgende Visualisierung und Auswer tung von Rad-Bewegungszuständen längs einer Schiene bzw. Bahnstrecke sowie eine Auswertung des Streckenzustands.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bislang erforder liche Betriebsmittel, beispielsweise Sand oder Druckluft ei ner Anfahr-Hilfseinrichtung des Schienenfahrzeugs, einge spart. Damit wird auch umweitschonender Betrieb des Schienen fahrzeugs unterstützt bzw. ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Tages zeit und auch bei schlechten Wetterverhältnissen zuverlässig einsetzbar.

Erreicht wird dies beispielsweise durch eine geeignete Wahl des verwendeten Kamerasystems (z.B. durch dessen Auflösung) und des zur Beobachtung verwendeten Wellenlängenbereichs (Infrarotlicht, ultraviolettes Licht), in dem das Kamerasys tem arbeitet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden WartungsInterval le für eine Reprofilierung der Radscheiben verlängert. Zu- gleich wird die Abnutzung der Infrastruktur verringert, ins besondere in Bahnhöfen und an Streckensteigungen.

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

FIG 1 das erfindungsgemäße Arbeitsprinzip der Erfindung in einer Übersicht,

FIG 2 zeigt mit Bezug auf FIG 1 eine Konturextraktion zur Be stimmung einer Geraden,

FIG 3 zeigt mit Bezug auf FIG 1 und FIG 2 eine Bestimmung von charakteristischen Punkten,

FIG 4 mit Bezug auf FIG 3 eine Bestimmung von Abständen der charakteristischen Punkte zur Geraden,

FIG 5 mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren das erfin dungsgemäße Verfahren in einem Ablaufdiagramm,

FIG 6 in einer Prinzipdarstellung die Verwendung der Kamera bilder, die im Rahmen der Erfindung gemacht werden,

FIG 7 zum erfindungsgemäßen Verfahren ein Schienenfahrzeug mit einer Anordnung der Kameras.

FIG 1 zeigt das erfindungsgemäße Arbeitsprinzip der Erfindung in einer Übersicht.

Ein Schienenfahrzeug wird mit einer Kamera, bevorzugt einer hochauflösenden Kamera, ausgerüstet, die auf einen Rad- Schiene-Bereich gerichtet bzw. fokussiert wird.

In diesem Bereich ist zumindest ein Teilbereich eines Rads RD des Schienenfahrzeugs sowie zumindest ein Teilbereich einer vom Rad zu befahrenden Schiene SCH zu sehen.

Bevorzugt wird von der Kamera in aufeinanderfolgenden Bildern eine Radlauffläche RDLF als Teilbereich des Rads RD erfasst, während ein Schienenkopf SCHK als Teilbereich der Schiene SCH erfasst wird. In aufeinanderfolgenden Bildern der Kamera wird mit Hilfe ei ner Kamera- oder Auswerte-Elektronik zwischen dem Schienen kopf SCHK und der Radlauffläche RDLF eine Gerade GER ermit telt, längs der sich die beiden berühren.

In aufeinanderfolgenden Bildern der Kamera wird mit Hilfe der Auswerte-Elektronik auf dem Schienenkopf SCHK ein charakte ristischer Punkt P1SK ermittelt. Entsprechend wird auf der Radlauffläche RDLF ein charakteristischer Punkt PIRDLF ermit telt.

Als charakteristische Punkte P1SK, P1RDLF werden optisch er kennbare und eindeutig zuordenbare Punkte verwendet. Bei spielsweise handelt es sich dabei um erkennbare Beschädigun gen, Oberflächenänderungen, Oberflächenverfärbungen, etc., am Schienenkopf SCHK bzw. an der Radlauffläche RDLF.

Alternativ oder ergänzend hierzu werden als charakteristische Punkte eigens dazu vorgesehene Markierungen verwendet, die am Schienenkopf SCHK bzw. an der Radlauffläche RDLF angebracht sind.

In aufeinanderfolgenden Bildern der Kamera wird mit Hilfe der Auswerte-Elektronik zwischen dem charakteristischen Punkt P1SK und der Geraden GER ein Abstand DISK ermittelt. Entsprechend wird zwischen dem charakteristischen Punkt P1RDLF und der Geraden GER ein Abstand D1RDLF ermittelt.

Diese Abstände DISK, D1RDLF verändern sich in Abhängigkeit vom Bewegungszustand des Rads RD des Schienenfahrzeugs.

Bei einer Radbewegung in Fahrtrichtung FRTR

- werden sich beim Rollen die beiden Abstände DISK, D1RDLF gleichmäßig verringern,

- wird sich beim Schleudern (also beim durchdrehenden Rad RD) der Abstand D1RDLF verringern, während der Abstand DISK im Wesentlichen gleichbleiben wird, und - wird beim Gleiten (also beim blockierten Rad RD) der Ab stand D1RDLF im Wesentlichen gleichbleiben, während sich der Abstand DISK verringern wird.

Durch eine Analyse der aufeinanderfolgenden Bilder wird so auf den Bewegungszustand des Rads RD des Schienenfahrzeugs geschlossen bzw. dieser ermittelt.

Die oben genannte Untersuchung bzw. Bewertung der Abstandsän derung wird innerhalb vorgegebener Toleranzen vorgenommen, so dass im operativen Betrieb des Schienenfahrzeugs vorkommende, eher geringfügige, Abweichungen bei den AbStands-Änderungen das Bewertungsergebnis nicht verfälschen.

FIG 2 zeigt mit Bezug auf FIG 1 eine Konturextraktion, deren Ergebnis die Gerade GER zwischen der Radlauffläche RDLF und dem Schienenkopf SK ist.

FIG 3 zeigt mit Bezug auf die Figuren FIG 1, FIG 2 eine Be stimmung bzw. eine Extraktion von charakteristischen Punkten P1SK, P2SK, P3SK sowie P1RDLF, P2RDLF, P3RDLF.

FIG 4 zeigt mit Bezug auf FIG 3 die den charakteristischen Punkten P1SK, P2SK, P3SK sowie P1RDLF, P2RDLF, P3RDLF zuge ordneten Abstände DISK, D2SK, D3SK sowie D1RDLF, D2RDLF, D3RDLF zur Geraden GER.

Durch die in FIG 3 und in FIG 4 gezeigte Verwendung einer Vielzahl an charakteristischen Punkten bzw. der zugehörigen Analyse der entsprechenden Abstandsänderungen wird die Analy se des Bewegungszustands verfeinert und genauere Ergebnisse zum Ausmaß des Schleuderns bzw. Gleitens ermittelt.

Damit wird eine entsprechend fein abgestimmte Gegenregulie rung ermöglicht, um das Schleudern bzw. Gleiten zu reduzieren oder gänzlich zu verhindern. FIG 5 zeigt mit Bezug auf die vorhergehenden Figuren das er findungsgemäße Verfahren in einem Ablaufdiagramm bzw. anhand einer zugeordneten Software-Architektur.

In einem ersten Block Bl werden mit Hilfe einer hochauflösen den Kamera aufeinanderfolgende Kamerabilder generiert, auf denen der Rad-Schiene-Bereich zu sehen ist.

In einem zweiten Block B2 werden diese Bilder vor erarbeitet und in einem dritten Block B3 klassifiziert, d.h. einem je weiligen überwachten Rad des Schienenfahrzeugs zugeordnet.

In einem vierten Block B4 erfolgt eine Konturextraktion, um die Gerade zu bestimmen, längs der sich das Rad (Radlaufflä che) und die Schiene (Schienenkopf) berühren.

In einem fünften Block B5 erfolgt eine Extraktion bzw. Be stimmung von einem oder mehreren charakteristischen Punkten am Rad bzw. an der Radlauffläche.

In einem sechsten Block B6 wird der Abstand der charakteris tischen Punkte des Rads bzw. der Radlauffläche zur Geraden bestimmt.

In einem siebten Block B7 erfolgt eine Extraktion bzw. Be stimmung von einem oder mehreren charakteristischen Punkten an der Schiene bzw. am Schienenkopf.

In einem achten Block B8 wird der Abstand der charakteristi schen Punkte der Schiene bzw. des Schienenkopfs zur Geraden bestimmt.

In einem neunten Block B9 werden die Abstandsänderungen der jeweiligen charakteristischen Punkte zur Geraden bestimmt und auf eine Betriebsart des Rads geschlossen.

In einem zehnten Block B10 wird eine Information bezüglich der ermittelten Betriebsart an eine AntriebsSteuerung des Schienenfahrzeugs und/oder an eine Bremssteuerung des Schie nenfahrzeugs gegeben.

Durch die AntriebsSteuerung wird im Fall eines detektierten Schleuderns des Rads eine zeitlich begrenzte Zugkraftreduzie rung beim Schienenfahrzeug initiiert, um das Schleudern zu reduzieren bzw. zu unterbinden.

Durch die BremsSteuerung wird im Fall eines detektierten Gleitens des Rads eine zeitlich begrenzte Bremskraftreduzie- rung beim Schienenfahrzeug initiiert, um das Gleiten zu redu zieren bzw. zu unterbinden.

FIG 6 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Verwendung der Kamerabilder, die im Rahmen der Erfindung gemacht werden.

Die mit Hilfe der Kamera KAM erzeugten hochauflösenden Bilder werden einem Bildverarbeitungsprogramm BVP zugeführt, dort analysiert und die Betriebsart des Rads ermittelt.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird mit dem Bildverarbei- tungsprogramm BVP über die Bilder ein Zustand der Schienen ermittelt bzw. detektiert.

Die Kamerabilder, die Betriebsart und/oder die Schienenzu standsinformation werden bevorzugt einer landseitigen Lei- stelle LS oder einer Kommunikationsplattform KOM, beispiels weise einer RAILIGENT-Plattform, zur weiteren Bearbeitung zu geführt.

In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Kamerabilder, die Betriebsart und/oder die SchienenzustandsInformation ei nem zentralen Zugsteuergerät ZSG des Schienenfahrzeugs zuge führt.

Das zentrale Zugsteuergerät ZSG veranlasst in einer bevorzug ten Weiterbildung über eine Datenfernübertragung DFÜ des Schienenfahrzeugs eine funkgesteuerte Weitergabe zur weiteren Bearbeitung .

Das zentrale Zugsteuergerät ZSG veranlasst in einer bevorzug ten Weiterbildung über einen Speicher SP des Schienenfahr- zeugs deren Dokumentation.

Das zentrale Zugsteuergerät ZSG veranlasst in einer bevorzug ten Weiterbildung über eine AntriebsSteuerung ASG oder über eine BremsSteuerung BSG die oben genannten Gegenmaßnahmen, um dem Schleudern bzw. dem Gleiten zu begegnen.

Das zentrale Zugsteuergerät ZSG führt in einer bevorzugten Weiterbildung über eine Anzeigeeinheit HMI eine Information des Triebfahrzeugführers des Schienenfahrzeugs durch.

Diese Information betrifft bevorzugt die ermittelte Betriebs art des Rads und/oder geeignete Gegenmaßnahmen, die der Triebfahrzeugführer veranlassen soll.

Diese Information enthält in einer bevorzugten Weiterbildung eine Mitteilung über automatisiert getroffene und bereits durchgeführte Gegenmaßnahmen, um den Triebfahrzeugführer zur Antriebs- bzw. BremsSituation zu informieren.

FIG 7 zeigt zum erfindungsgemäßen Verfahren ein Schienenfahr zeug SFZ sowie eine vorteilhafte Anordnung der beim erfin- dungsgemäßen Verfahren verwendeten Kameras KAM, die wie hier gezeigt, bei jedem einzelnen Rad RD jeweils einzeln angeord net sind.