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1. WO2017157734 - VERFAHREN ZUM ERZEUGEN VON DATEN FÜR DIE VALIDIERUNG VON ENTGLEISUNGSDETEKTIONSSYSTEMEN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

BESCHREIBUNG

Verfahren zum Erzeugen von Daten für die Validierung von

Entgleisungsdetektionssystemen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen von Schienenfahrzeugen, bei dem ein

Simulationsmodell anhand von Messdaten, die bei Versuchen mit einem

Versuchsträger erzeugt werden, adaptiert wird, und anschließend die Daten für die Validierung der Entgleisungsdetektionssysteme durch das Durchführen von

Simulationen mit dem Simulationsmodell erzeugt werden.

In Schienenfahrzeugen werden Vorrichtungen und Verfahren eingesetzt, um eine Entgleisung des Schienenfahrzeugs zu erkennen.

Aus der DE 199 53 677 C1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Entgleisung eines spurgebundenen Fahrzeugs bekannt. Eine Beschleunigung eines mit der Fahrspur direkt oder indirekt in Kontakt stehenden Bauelementes des spurgebundenen Fahrzeugs vertikal und/oder quer zu einer Fahrtrichtung wird durch einen Beschleunigungssensor ermittelt, und das Signal des Beschleunigungssensors wird zweifach über die Zeit integriert. Überschreitet diese zweifach integrierte

Beschleunigung einen Grenzwert, wird bei Überschreiten des Grenzwertes auf eine Entgleisung erkannt.

Insbesondere schnelle Züge und Strecken mit sogenannter "Fester Fahrbahn", d.h. einer Fahrbahn, bei der die Schwellen nicht wie bei herkömmlichem Schotteroberbau in Schotter gelagert sind, sondern die Schienen direkt auf einer Betonfahrbahn befestigt sind oder die Schwellen, auf denen die Schienen befestigt sind, in Beton eingegossen sind, stellen hohe Anforderungen an Systeme zur Entgleisungsdetektion. Es werden daher verbesserte Erkennungsmechanismen entwickelt, um eine Entgleisung in allen Geschwindigkeitsbereichen sowie auch auf fester Fahrbahn sicher erkennen zu können.

Die entwickelten Algorithmen der Entgleisungsdetektionssysteme müssen validiert werden, um sicherstellen zu können, dass mit den Algorithmen auch eine sichere Entgleisungsdetektion möglich ist. Bei einem Entgleisungsdetektionsverfahren auf Basis von Beschleunigungen kann die Validierung beispielsweise einerseits anhand von Daten aus realen Entgleisungsversuchen mit Fahrzeugen erfolgen, bei welchen der Entgleisungsdetektor direkt an das Versuchsfahrzeug eingebaut ist und nach einer initiierten Entgleisung entsprechend auslöst.

Derartige reale Entgleisungsversuche sind jedoch sehr aufwendig und verursachen hohe Kosten. Die Versuche können nur begrenzt wiederholt werden und stellen damit nur Validierungsdaten für einige wenige Szenarien, d.h. nur für bestimmte

Fahrzeugtypen, Beladungen, Geschwindigkeiten, Streckenaufbauten und

Streckenzustände dar. Eine breite Versuchsreihe mit realen Entgleisungen, bei der die Randbedingungen variiert werden, ist wirtschaftlich nicht möglich.

Eine Validierung von Entgleisungsdetektionsalgorithmen kann jedoch neben oder in Ergänzung zu Messdaten auch anhand von aus Simulationen erhaltenen Daten erfolgen. Dabei können Fahrten auf dem Gleis sowie entgleiste Fahrten simuliert werden, und der Erkennungsalgorithmus der Entgleisungsdetektion kann daraufhin überprüft werden, ob er erkennt, wenn eine Fahrt nicht auf dem Gleis erfolgt, sondern eine entgleiste Fahrt simuliert wird. Dabei ist der Erkennungsalgorithmus insbesondere daraufhin zu prüfen, ob er auch bei ungünstigen Verläufen einer Entgleisung eine sichere Erkennung der Entgleisung ermöglicht, und eine Entgleisung von einer Fahrt auf einem realen schlechten Gleis sicher unterschieden werden kann. Durch

Verwendung von Simulationsdaten parallel oder anstelle von Messdaten aus realen Entgleisungsversuchen können somit Daten bereitgestellt werden, anhand welcher die Auslöseschwelle zur Detektion einer Entgleisung unter bestimmten definierten

Randbedingungen, beispielsweise Fahrzeugtyp, Beladung, Geschwindigkeit,

Streckenaufbau und Streckenzustand, etc. überprüft werden kann.

Dafür müssen jedoch Simulationsmodelle bereitgestellt werden, durch die mit ausreichender Güte eine Simulation von Fahrten unter verschiedenen

Randbedingungen, und insbesondere auf verschiedenen Untergründen, wie beim

Rollen des Rades auf einer Betonfahrbahn nach einer Entgleisung auf einer festen Fahrbahn, durchgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Simulationsgüte von Simulationsmodellen für die Fahrt eines Schienenfahrzeuges auf einem Fahrweg insbesondere bei einer Entgleisung so verbessert werden kann, dass die erzeugten Simulationsdaten für die Validierung von

Entgleisungsdetektionssystemen von Schienenfahrzeugen genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen von Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen von Schienenfahrzeugen wird zunächst ein Simulationsmodell, mit dem eine Simulation einer Fahrt eines Schienenfahrzeuges auf einem bestimmten Fahrweg durchgeführt werden kann, ausgewählt. Das

Simulationsmodell enthält ein Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad des

Schienenfahrzeugs und dem bestimmten Fahrweg. In dem Simulationsmodell wird das Teilmodell, das den Kontakt zwischen dem Rad und dem Fahrweg modelliert, durch ein Rad-Oberflächen-Kontaktmodell für einen anderen Fahrweg ersetzt. Es wird ein

Versuchsträger hergestellt, der ein vereinfachtes Modell des Schienenfahrzeuges bildet. Mit dem Versuchsträger werden Versuche durchgeführt, bei denen Fahrten auf dem anderen Fahrweg durchgeführt werden. Bei den Versuchen werden Messungen durchgeführt, und die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells werden anhand der bei den Versuchen aufgenommenen Messdaten ermittelt bzw. angepasst. Mit dem Simulationsmodell, das das für die Fahrt auf dem anderen Fahrweg angepasste

Teilmodell des Rad-Oberflächen-Kontakts enthält, werden Simulationen durchgeführt, mit denen Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen erzeugt werden.

Grundgedanke der Erfindung ist es, die für eine Validierung benötigten Datensätze einer entgleisten Fahrt auf verschiedenen Untergründen mittels Simulation zu

generieren. Dabei wird von einem bekannten Fahrzeugmodell inklusive Fahrt auf einem Gleismodell mit entsprechenden Gleislagefehlern ausgegangen. Dieses Modell ist bekannt und validiert. Die Validierung des bekannten Fahrzeugmodells einschließlich des Kontaktmodells für die Fahrt auf dem Gleismodell, insbesondere die Fahrt auf einer Schiene, kann insbesondere anhand von Messungen durchgeführt werden, da

Messungen für eine normale Fahrt auf der Schiene einfach durchgeführt werden können.

In diesem Simulationsmodell wird das Teilmodell, das den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg, und hier insbesondere zwischen Rad und Schiene modelliert, durch ein Rad-Oberflächen-Kontaktmodell für einen anderen Fahrweg, insbesondere für das Rollen eines Rades auf dem Schienenzwischenraum nach einer Entgleisung, beispielsweise auf dem Beton einer festen Fahrbahn, ersetzt. Die weiteren Teilmodelle, beispielsweise das Teilmodell des Fahrzeugaufbaus, bleibt jedoch unverändert, da sich bei einer Fahrt auf einem anderen Fahrweg nur der Kontakt zwischen Rad und Fahrweg ändert, nicht jedoch der Aufbau des Fahrzeuges. Das Teilmodell für das Fahrzeug ist, wie

vorstehend erläutert, bereits sehr gut validiert.

Typischerweise erfolgt die Entgleisungsdetektion aufgrund von

Beschleunigungsverläufen, die an einer repräsentativen Stelle des Fahrzeugs gemessen werden, zum Beispiel am Achslager. Diese Beschleunigungen hängen nicht nur von der Beschaffenheit des Kontaktbereichs Rad-Oberfläche ab, sondern von der weiteren Umgebung im Fahrzeug. Diese Abhängigkeit von der weiteren Umgebung im Fahrzeug wird dadurch berücksichtigt, dass im validierten Simulationsmodell das Teilmodell des Fahrzeuges gleich bleibt und nur das Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Oberfläche ausgetauscht wird. Die Parameter des Teilmodells für das Fahrzeug sind somit bekannt und bereits gut validiert, so dass nur die Parameter für das ausgetauschte Teilmodell des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells ermittelt werden müssen.

Die Ermittlung der Parameter für das ausgetauschte Teilmodell des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells erfolgt dadurch, dass ein Versuchsträger hergestellt wird, der das Fahrzeug vereinfacht abbildet. Der Versuchsträger wird dabei so gestaltet, dass er für den konkreten Einsatzfall bei den Versuchen, d.h. insbesondere für die Fahrt auf dem anderen Fahrweg und hier insbesondere einer entgleisten Fahrt in den

Schienenzwischenräumen, ein weitgehend gleiches Verhalten zeigt wie das reale Fahrzeug, d.h. der Versuchsträger weist insbesondere weitgehend gleiche Massen, gleiche Steifigkeiten und gleiche Kontaktkräfte auf wie das reale Fahrzeug.

Mit dem Versuchsträger werden Fahrten auf dem anderen Fahrweg durchgeführt. Dabei werden insbesondere Versuche durchgeführt, bei denen der Versuchsträger nicht auf der Schiene fährt, sondern auf dem Fahrweg selber, insbesondere im

Schienenzwischenraum, beispielsweise auf dem Beton einer festen Fahrbahn. Bei den Versuchen werden Messungen beispielsweise der Beschleunigungsverläufe

durchgeführt.

Anhand der Messungen werden nun die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells angepasst. Die Parameteranpassung erfolgt so, dass das Modell sich für die gemessenen Fahrprofile weitgehend so verhält wie der Versuchsträger. Dadurch wird das Teilmodell für den Rad-Oberflächen-Kontakt parametriert. Eine Parametrierung des Fahrzeug-Teilmodells ist, wie vorstehend ausgeführt, hingegen nicht erforderlich, da dieses bereits entsprechend validiert ist.

Nachdem das Rad-Oberflächen-Kontaktmodell parametriert wurde, liegt ein

Simulationsmodell vor, mit dem mit hinreichender Güte Simulationen für Fahrten auf dem anderen Fahrweg, insbesondere im entgleisten Zustand, auch für

Randbedingungen, beispielsweise Fahrzeuglasten und Geschwindigkeiten,

durchgeführt werden können, die über die Randbedingungen der Versuche mit dem vereinfachten Versuchsträger hinausgehen.

Dadurch können zusätzlich zu Daten aus realen Versuchen Daten generiert werden, mit denen ein Entgleisungsdetektionssystem validiert werden kann. Bei der Validierung wird beispielsweise überprüft, ob das Entgleisungsdetektionssystem eine normale Fahrt auf der Schiene, insbesondere bei schlechten Gleiszuständen, von einer Fahrt des Rades auf dem Fahrweg, beispielsweise auf dem Beton einer festen Fahrbahn, sicher unterscheiden kann.

Ein im Sinne der Erfindung ausgebildetes Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass auf aufwendige Messungen zur Validierung des

Entgleisungsdetektionssystems verzichtet werden kann, und die Daten für die

Validierung weitgehend durch Simulationsmodelle erzeugt werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg des ausgewählten validierten Simulationsmodells durch ein Rad-Oberflächen-Kontaktmodell ersetzt, welches verschiedenartige Materialien und

Oberflächenstrukturen beschreibt. Dabei kann das ersetzende Rad-Oberflächen-Kontaktmodell den Rad-Oberflächen-Kontakt für eine vom modellierten Fahrweg im bisherigen Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg des ausgewählten validierten Simulationsmodells abweichende Oberfläche, oder auch für mehrere

Oberflächen abbilden. Es können verschiedenartige Materialien der Oberfläche berücksichtigt werden, und insbesondere auch verschiedene Oberflächenstrukturen, beispielsweise eine weitgehend glatte Asphalt- oder Betonfläche zwischen oder neben den Schienen, auf denen ein entgleistes Rad rollt, oder unterschiedliche Gestaltungen der Fläche zwischen oder neben den Schienen, indem beispielsweise Schwellen, Schwellenstümpfe oder Rillen vorhanden sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung modelliert das Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg des ausgewählten validierten Simulationsmodells einen Rad-Schiene-Kontakt für einen Schotteroberbau oder einen Rad-Schiene-Kontakt für eine feste Fahrbahn. D.h. es wird zunächst ein Simulationsmodell aufgewählt, in dem das Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg des ausgewählten validierten Simulationsmodells einen Rad-Schiene-Kontakt für einen Schotteroberbau oder einen Rad-Schiene-Kontakt für eine feste Fahrbahn abbildet. Für Fahrten mit Rad-Schiene-Kontakt für einen Schotteroberbau oder Rad-Schiene-Kontakt für eine feste Fahrbahn können einfach Messdaten aufgenommen werden, so dass das

Simulationsmodell anhand dieser Daten einfach validiert werden kann, bevor das Teilmodell für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg gemäß dem

erfindungsgemäßen Verfahren durch ein Rad-Oberflächen-Modell für einen anderen Fahrweg ersetzt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird im Simulationsmodell ein Teilmodell für den Rad-Schiene-Kontakt für einen Schotteroberbau durch ein Rad-Beton-Kontaktmodell oder durch ein Rad-Asphalt-Kontaktmodell ersetzt.

Es wird somit von einem bestehenden und validierten Simulationsmodell ausgegangen, das eine Fahrt auf einer Schiene simuliert. Das Simulationsmodell weist damit zumindest ein Teilmodell für das Fahrzeug und ein Teilmodell für den Rad-Schiene-Kontakt auf, wobei die Parameter des Simulationsmodells, und insbesondere des Teilmodells des Rad-Schiene-Kontakts so angepasst sind, dass insbesondere eine Fahrt eines Schienenfahrzeuges auf einem Fahrweg mit einem herkömmlichen

Schotteroberbau simuliert werden kann.

Das Teilmodell, das den Rad-Schiene-Kontakt für einen Schotteroberbau simuliert, wird durch ein Teilmodell ersetzt, das eine Fahrt eines Rades auf Beton oder auf Asphalt simuliert. Dabei handelt es sich insbesondere um das Rollen eines Rades zwischen den Schienen auf dem Beton oder dem Asphalt einer festen Fahrbahn im Anschluss an eine Entgleisung.

Durch die Verwendung eines Rad-Beton-Kontaktmodells oder eines eines Rad-Asphalt-Kontaktmodells können damit Simulationsdaten bereitgestellt werden, mit denen ein Verhalten nach einer Entgleisung auf einer festen Fahrbahn simuliert werden kann. Im Gegensatz zum Rad-Schiene-Kontaktmodell, das beispielsweise durch Messungen bei normalen Fahrten auf einer Schiene, die dementsprechend einfach durchgeführt werden können, parametriert wird, ist das Rad-Beton-Kontaktmodell oder das Rad-Asphalt-Kontaktmodell jedoch noch zu parametrieren, so dass ein Rollen eines Rades auf Beton oder Asphalt mit ausreichender Modellgüte wiedergegeben wird. Hierzu wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Versuchsträger hergestellt, der ein vereinfachtes Modell des Fahrzeugs bildet. Es werden Versuche mit dem

Versuchsträger durchgeführt, bei denen das Rad des Versuchsträgers über Beton oder Asphalt rollt. Insbesondere die Beschleunigungen, die durch das Rollen auf dem Beton oder Asphalt auftreten, werden gemessen. Anhand der gemessenen Daten werden die Parameter des Rad-Beton-Kontaktmodells so angepasst, dass das Simulationsmodell eine Fahrt auf Beton oder Asphalt mit hinreichender Modellgüte abbilden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Anpassung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells anhand der bei den Versuchen aufgenommenen Messungen mit der Hilfe eines weiteren Simulationsmodells, das aus einem Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers selbst sowie dem Rad-Oberflächen-Kontaktmodell für den anderen Fahrweg besteht.

Die Anpassung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells erfolgt damit nicht im Simulationsmodell, mit dem die Simulationen für das Erzeugen von Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen durchgeführt werden, sondern in einem separaten Simulationsmodell, das neben dem Rad-Oberflächen-Kontaktmodell lediglich ein Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers aufweist.

Dadurch, dass der Versuchsträger einfach aufgebaut ist, kann das Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers einfach parametriert werden. Das Verhalten des

Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers entspricht damit weitgehend dem realen Versuchsträger.

Durch Abgleich zwischen dem weiteren, aus einem Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträger sowie dem Rad-Oberflächen-Kontaktmodell für den anderen Fahrweg bestehenden Simulationsmodell mit den Messungen, die mit dem Versuchsträger durchgeführt werden, können damit, da die Parameter des Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers bereits bekannt sind, die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells anhand der Messdaten sehr genau bestimmt werden. Die Einflüsse von Parameter-Unsicherheiten weiterer Teilmodelle eines Simulationsmodells auf die

Bestimmung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells (die beispielsweise vorliegen würden, wenn die Parameteranpassung unter Verwendung des weit komplexeren Simulationsmodell erfolgen würde, mit dem die Simulationen für das Erzeugen von Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen durchgeführt werden) können damit weitgehend reduziert werden, da das weitere Simulationsmodell neben dem Kontaktmodell nur das einfach zu parametrierende Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers enthält. Dadurch können die

Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells anhand der mit dem Versuchsträger durchgeführten Messungen genauer bestimmt werden, als wenn die Bestimmung der Parameter mit dem komplexeren Simulationsmodell, das später zum Erzeugen der Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen verwendet wird, erfolgen würde.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das

Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers, das im weiteren Simulationsmodell zur Anpassung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells verwendet wird, aus einer Masse, der Masse eines Einzelrades sowie einer Feder und einem Dämpfer, die zwischen der Masse und der Masse des Einzelrades angeordnet sind, gebildet. Das Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers ist somit ein einfaches

Zweimassenmodell, bei dem die eine Masse, die insbesondere die Wagenmasse repräsentiert, mit der zweiten Masse, die die Masse eines Einzelrades ist, mit einer Feder und einem Dämpfer verbunden wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Masse des Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers, das im weiteren Simulationsmodell zur Anpassung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells verwendet wird, anhand der Masse des Wagenkastens und des Drehgestells des Schienenfahrzeugs, die Federkonstante der Feder zwischen der Masse und der Masse des Einzelrades anhand der Federkonstanten zwischen Wagenkasten und Drehgestell sowie der Federkonstanten zwischen Drehgestell und Rad, und die Dämpferkonstante des zwischen Masse und Masse des Einzelrades angeordneten Dämpfers anhand der Dämpferkonstanten zwischen Wagenkasten und Drehgestell sowie Drehgestell und Rad bestimmt. Diese Parameter können entweder messtechnisch bestimmt werden, oder sie können anhand des konstruktiven Aufbaus der einzelnen Komponenten ermittelt werden. Damit kann das Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers, das im weiteren Simulationsmodell verwendet wird, mit dem die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells anhand der Messungen bestimmt werden, einfach ermittelt werden. Dadurch werden Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells, die durch Ungenauigkeiten der Parameter des

Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers hervorgerufen würden, soweit wie möglich vermieden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Rad-Oberflächen-Kontaktmodell nach der Anpassung seiner Parameter, die mit Hilfe des weiteren Simulationsmodells erfolgt ist, anschließend in das Simulationsmodell, das zur Simulation der Fahrt des Schienenfahrzeugs auf dem Fahrweg verwendet wird, integriert, um mit diesem Simulationsmodell die Simulationen durchzuführen, mit denen die Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen erzeugt werden.

Die Anpassung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells anhand der Messungen erfolgt damit zunächst mittels des weiteren Simulationsmodells, das wie vorstehend beschrieben lediglich aus einem Mehrkörpersystem-Modell des

Versuchsträgers, das einfach parametrierbar ist, sowie dem Rad-Oberflächen-Kontaktmodell für den anderen Fahrweg besteht.

Erst nach der Parametrierung mittels dieses weiteren Simulationsmodells wird das Rad-Oberflächen-Kontaktmodell entnommen und in das komplexere Simulationsmodell integriert, mit dem durch die Simulationen die Daten für die Validierung von

Entgleisungsdetektionssystemen erzeugt werden. Dadurch ist es möglich, die

Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells zunächst mittels eines einfachen Simulationsmodells anhand der Messungen zu bestimmen, und Einflüsse ungenau bekannter Parameter beispielsweise des Fahrzeugs auf die Bestimmung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells zu vermeiden. Anschließend wird das derart parametrierte Rad-Oberflächen-Kontaktmodell in das komplexe Simulationsmodell integriert, in dem auch andere Teilmodelle enthalten sind, insbesondere ein

detaillierteres Modell des Fahrzeugs im Vergleich zum einfach aufgebauten

Versuchsträger.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Versuchsträger ein System aus einer Masse, einer Feder, einem Dämpfer sowie einem Einzelrad, und die Masse, Federkonstante und die Dämpferkonstante des Versuchsträgers werden so gewählt, dass der Versuchsträger für die durchgeführten Versuche näherungsweise das gleiche Verhalten zeigt wie das Schienenfahrzeug bzw. ein Teilmodell für das

Schienenfahrzeug, das im Simulationsmodell enthalten ist, d.h. insbesondere gleiche Massen, gleiche Steifigkeiten und gleiche Kontaktkräfte zwischen Rad und Fahrweg.

Der Versuchsträger enthält somit möglichst wenige und für die Simulation bekannte Elemente, was insbesondere auch den Aufbau und die Parametrierung des weiteren Simulationsmodells, das zur Bestimmung der Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells verwendet wird, erleichtert, während der Versuchsträger für den Einsatzfall der Versuche, d.h. insbesondere das Rollen eines Rades auf einem anderen Fahrweg und hier insbesondere auf dem Beton des Schienenzwischenraums, ein weitgehend gleiches Verhalten wie ein reales Fahrzeug zeigt.

Insbesondere kann dieser einfache Versuchsträger mit geringem Aufwand gebaut und mit ihm die entsprechenden Versuche kostengünstig durchgeführt werden. Damit ist einerseits der Versuchsträger einfach aufzubauen, und insbesondere die Parameter des Mehrkörpersystem-Modells des Versuchsträgers, das im weiteren

Simulationsmodell verwendet wird, mittels dessen die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells angepasst werden, können einfach bestimmt und angepasst werden. Gleichzeitig zeigt der Versuchsträger ein Verhalten, das sehr ähnlich dem Verhalten des Teilmodells für das Schienenfahrzeug ist, das im Simulationsmodell, mit dem die Daten für die Validierung von Entgleisungsdetektionssystemen erzeugt werden, verwendet wird, da dieses weitgehend dem realen Fahrzeug entspricht.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim

Herstellen des Versuchsträgers die Masse des Versuchsträgers anhand der Masse des Wagenkastens und des Drehgestells des Schienenfahrzeuges, die Federkonstante des Versuchsträgers anhand der Federkonstanten zwischen Wagenkasten und Drehgestell sowie zwischen Drehgestell und Rad, und die Dämpferkonstante des Versuchsträgers anhand der Dämpferkonstanten zwischen Wagenkasten und Drehgestell sowie zwischen Drehgestell und Rad bestimmt. Dämpfer und Feder werden zwischen der Masse und der Masse des Einzelrades angeordnet. Damit ist der Versuchsträger, wie auch sein Teilmodell im weiteren Simulationsmodell zur Parameteranpassung, ein Zwei-Massensystem, bestehend aus einer ersten Masse, die weitgehend der Masse des Wagenkastens, ggf. einschließlich der Masse des Drehgestells entspricht, einer zweiten Masse, die der Masse des Rades entspricht, wobei die beiden Massen durch Feder und Dämpfer, die zwischen der Masse und der Masse des Einzelrades angeordnet werden, verbunden sind. Dadurch, dass als Versuchsträger ein einfaches Zwei-Massensystem mit Feder und Dämpfer verwendet wird, können die Parameter des Versuchsträgers, d.h. Massen, Dämpfungs- und Federkonstante einfach anhand des realen Fahrzeuges bestimmt werden. Das reale Fahrzeug wird damit durch bekannte Verfahren auf ein Zwei-Massensystem reduziert. Dadurch ist eine einfache

Parameterermittlung für den Versuchsträger möglich, und gleichzeitig zeigt der

Versuchsträger für den Einsatzfall ein weitgehend gleiches Verhalten wie das reale Fahrzeug, d.h. insbesondere weitgehend gleiche Massen, gleiche Steifigkeiten und gleiche Kontaktkräfte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Versuche mit dem Versuchsträger auf einem Fahrweg durchgeführt, der mindestens zwei

unterschiedliche Schwellenhöhen aufweist. Eine feste Fahrbahn kann zwischen den Schienen eine weitgehend glatte Beton- oder Asphaltfläche aufweisen, oder auch Schwellen, die in den Beton oder in Asphalt eingegossen sind und aus dem Fahrweg zwischen den Schienen herausragen. Dadurch können während der Fahrt des

Versuchsträgers auf den unterschiedlichen Schwellenhöhen unterschiedliche

Beschleunigungen gemessen werden, wodurch im Simulationsmodell zur Erzeugung der Daten für die Validierung Rad-Oberflächen-Kontaktmodelle eingesetzt werden können, die den Kontakt zwischen Rad und Oberfläche für verschiedene

Schwellenhöhen modellieren, so dass Simulationen für ein Rollen eines entgleisten Rades auf verschiedenen Schwellenhöhen möglich sind, um unter diesen

Randbedingungen das Entgleisungsdetektionssystem zu testen.

Je nach Ausgestaltung einer festen Fahrbahn kann diese beispielsweise aus Beton oder aus Asphalt als Grundmaterial bestehen. Die Schienen können direkt

beispielsweise mit dem Beton verschraubt sein, oder die feste Fahrbahn kann

Schwellen oder Schwellenstümpfe aufweisen, die beispielsweise in den Beton oder den Asphalt eingegossen sein können, und auf denen die Schienen gelagert sind. Die feste Fahrbahn kann auch andere Oberflächengeometrien aufweisen, beispielsweise Rillen im Zwischenraum zwischen den Schienen. Die Versuche, die mit dem Versuchsträger durchgeführt werden, um Daten für die Parametrierung des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells zu erhalten, werden für die Arten von Fahrwegen durchgeführt, für die eine Entgleisungserkennung angepasst werden soll. Dabei können die

Anregungsmuster, die von der Fahrbahn auf das Rad des Versuchsträgers ausgeübt werden, indem beispielsweise die Schwellenhöhe oder eine Rillentiefe variiert wird oder andere Oberflächengestaltungen herangezogen werden.

In einem Verfahren zum Erkennen einer Entgleisung eines Schienenfahrzeugs auf einem vorbestimmten Fahrweg wird eine Entgleisung anhand von Daten erkannt, die gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren validiert worden sind. Dabei können sowohl die Daten als auch der gesamte Algorithmus zur Entgleisungsdetektion anhand der Daten validiert werden

In einer Vorrichtung zum Erkennen einer Entgleisung eines Schienenfahrzeugs auf einem vorbestimmten Fahrweg ist die Vorrichtung so gestaltet ist, dass sie ein Verfahren zum Erkennen einer Entgleisung eines Schienenfahrzeugs auf einem vorbestimmten Fahrweg durchführen kann, das mit einem der vorstehend beschriebenen Verfahren validiert worden ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Darin zeigt die einzige Figur 1 eine

schematische Darstellung des Verfahrensablaufs eines Verfahrens gemäß einem

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der in der Fig. 1 dargestellten Ausführung des Verfahrens 100 wird bei einem

Entgleisungsversuch 101 eine Fahrt 102 mit dem Versuchsträger auf dem anderen Fahrweg, hier beispielhaft auf einer Betonfahrbahn, durchgeführt. Auf dieser Fahrt 102 werden Messdaten 104 erhoben. Bei der Fahrt 102 des Versuchsträgers auf der

Betonfahrbahn wird der Versuchsträger, der hier aus einer Masse, einer Feder, einem Dämpfer und einem Rad besteht, das durch Feder und Dämpfer mit der Masse verbunden ist, über die Versuchsfahrstrecke geschleppt. Die Versuche können jedoch auch auf anderen Fahrbahngestaltungen durchgeführt werden, z.B. auf

Asphaltfahrbahnen, auf Fahrbahnen mit unterschiedlicher Schwellenhöhe und

Schwellengestaltung etc.

Die Versuchsfahrstrecke besteht beispielhaft aus einer Betonfahrbahn, wie sie bei bestimmten Ausführungen einer festen Fahrbahn vorliegt. Das Rad des

Versuchsträgers rollt dabei zwischen den Schienen auf dem Zwischenraum, der bei der hier verwendeten festen Fahrbahn mit Beton ausgefüllt ist. Dabei können bei den Versuchen verschiedene Arten beispielsweise der Betonfahrbahn verwendet werden. Beispielsweise kann eine glatte Betonfahrbahn verwendet werden, und es können Betonfahrbahnen verwendet werden, in denen Schwellen in die Betonfahrbahn einbetoniert sind. Die Schwellen können dabei in unterschiedlicher Höhe aus der Betonfahrbahn herausragen. Selbstverständlich können die Versuche ebenso auch mit anderen Typen fester Fahrbahnen durchgeführt werden.

Das Anregungsmuster durch das Rollen des Rades, hier auf der Betonfahrbahn, wird in Form von Messdaten 104 aufgezeichnet. Dabei werden insbesondere

Beschleunigungen aufgezeichnet. Diese Daten können für verschiedene Arten der hier beispielhaft verwendeten Betonfahrbahn, beispielsweise wie vorstehend erläutert für verschiedene Schwellenhöhen, aber auch für verschiedene Geschwindigkeiten der Fahrt aufgezeichnet werden.

Um die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells 1 10 für den Kontakt zwischen dem Rad und der hier beispielhaft Betonfahrbahn zu ermitteln, wird ein

Simulationsmodell 106 für den Entgleisungsversuch 101 , das lediglich zur

Parameterermittlung verwendet wird, aufgebaut. Dieses Simulationsmodell 106 besteht aus einem Teilmodell 1 10 für den Rad-Oberflächen-Kontakt, hier zwischen Rad und Beton der festen Fahrbahn, sowie einem Mehrkörpersystem-Modell 108 des

Versuchsträgers. Durch diese beiden Teilmodelle 108, 1 10 wird der Versuchsaufbau detailgetreu modelliert. Die Parameter des Mehrkörpersystem-Modells 108 für den Versuchsträger können dabei einfach vom Versuchsträger selbst abgeleitet werden. Der Versuchsträger besteht vorliegend lediglich aus einem Einzelrad, einer Masse sowie zwischen Einzelrad und Masse angeordneter Federung und Dämpfung. Dadurch kann das Mehrkörpersystem-Modell 108 des Versuchsträgers einfach parametriert werden und gibt das Verhalten des Versuchsträgers damit im Simulationsmodell 106 sehr genau wieder.

Dadurch ist es möglich, durch den Abgleich zwischen dem Modell 106 des

Entgleisungsversuchs 101 und den beim Entgleisungsversuch 101 aufgenommenen Messdaten 104 das Modell mit dem Versuch abzugleichen, d.h. die Parameter des Rad-Beton-Kontaktmodells 1 10 zu bestimmen. Bei diesem Abgleich 1 1 1 werden die Parameter des Kontaktmodells 1 10 zwischen Rad und Beton so angepasst, dass für die durchgeführten Versuchsfahrten 102 ein mit dem Simulationsmodell 106 des

Entgleisungsversuchs 101 simuliertes Verhalten soweit wie möglich mit den beim Entgleisungsversuch aufgenommenen Messdaten 104 übereinstimmt. Dafür können bekannte Verfahren der Parameteranpassung verwendet werden, beispielsweise bekannte Parameteroptimierungsverfahren.

Durch den Abgleich 1 1 1 zwischen Modell 106 und Versuch 101 werden somit die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontaktmodells 1 10 für den Kontakt zwischen Rad und Beton ermittelt. Beim Abgleich 1 1 1 zwischen Modell 106 und Versuch 101 müssen wie vorstehend ausgeführt nur die Parameter des Rad-Oberflächen-Kontakt-Modells 1 10 adaptiert werden, da die Parameter des Teilmodells 108 für den Versuchsträger, das ebenfalls Bestandteil des Simulationsmodells 106 für den Entgleisungsversuch 101 ist, bereits bekannt sind.

Im nächsten Schritt wird das Rad-Oberflächen-Kontaktmodell 1 10 für den Kontakt zwischen Rad und Beton, dessen Parameter aus den Versuchsdaten 104 während des Abgleichs 1 1 1 zwischen Modell 106 und Versuch 101 ermittelt wurden, in dem komplexen Simulationsmodell 1 12 zur Simulation der Fahrt des Schienenfahrzeugs auf den Fahrweg eingesetzt. Dieses Simulationsmodell 1 12 zur Simulation der Fahrt des Schienenfahrzeugs auf dem Fahrweg ist ein detailliertes Simulationsmodell, das insbesondere ein detailliertes Mehrkörpersystem-Modell 1 14 des Fahrzeuges sowie ein Mehrkörpersystem-Modell 1 16 für den Kontakt zwischen Rad und einem Fahrweg aufweist.

Das Modell weist dabei zunächst ein Modell für den Kontakt zwischen Rad und

Schiene, hier beispielhaft für einen herkömmlichen Schotteroberbau auf. Da für eine Fahrt eines realen Fahrzeugs auf einer Schiene bei einem Schotteroberbau, d.h. in unentgleistem Zustand problemlos Messungen durchgeführt werden können, kann das Modell anhand dieser Messungen gut an das reale Verhalten angepasst werden, so dass sowohl das im Simulationsmodell 1 12 verwendete Mehrkörpersystem-Modell 1 14 des Fahrzeugs als auch das im Simulationsmodell 1 12 zunächst enthaltene Rad-Schiene-Kontaktmodell eine hohe Simulationsgüte ermöglichen. Selbstverständlich können auch Messungen aus der Fahrt des Fahrzeugs auf der Schiene einer festen Fahrbahn herangezogen werden. Das Mehrkörpersystem-Modell 1 14 des Fahrzeugs besteht dabei insbesondere aus einer Modellierung der Fahrzeugmassen,

beispielsweise des Wagenkastens sowie des Drehgestells und der Radsätze sowie der zwischen diesen Elementen angeordneten Federungen und Dämpfungen. Diese Parameter können durch Versuche, sie können aber auch zumindest teilweise aus den realen Geometrien abgeleitet werden. Dadurch steht ein Simulationsmodell 1 12 mit

Teilmodellen 1 14 für das Fahrzeug sowie den Rad-Schiene-Kontakt 1 16 zur Verfügung, mit dem eine hohe Simulationsgüte für eine Fahrt auf der Schiene erzielt werden kann. Von dem Vorhandensein eines derartigen Simulationsmodells wird im vorliegenden Verfahren ausgegangen.

Mit dem Simulationsmodell 1 12 können, bevor das Kontaktmodell zwischen Rad und Schiene durch das Kontaktmodell zwischen Rad und Beton ausgetauscht wird, zunächst erste Simulationsdaten 1 18 generiert werden, die für die Validierung 124 der Entgleisungsdetektionssysteme 122 herangezogen werden können, und die zunächst eine normale Fahrt auf einer Schiene unter verschiedenen Randbedingungen, beispielsweise verschiedenen Fahrzeugaufbauten, verschiedenen Geschwindigkeiten und verschiedenen Qualitäten des Fahrwegs, beispielsweise unter Berücksichtigung von Gleislagefehlern, darstellen. Damit erhält man zunächst aus der Simulation

Datensätze 1 18 für eine unentgleiste Fahrt auf dem Gleis.

Anschließend wird im Simulationsmodell 1 12 das Teilmodell 1 16 für den Kontakt zwischen Rad und Fahrweg durch das Teilmodell 1 10 für den Rad-Oberflächen-Kontakt zwischen Rad und Beton ersetzt, dessen Parameter zuvor durch den Abgleich 1 12

zwischen Modell 106 und Entgleisungsversuch 101 ermittelt wurden. Dadurch erhält man ein Simulationsmodell 1 12 zur Simulation der Fahrt des Schienenfahrzeugs auf dem Beton bei einer Entgleisung. Mit diesem derart angepassten Simulationsmodell 1 12 werden dann Simulationen durchgeführt, mit denen die Fahrt des Fahrzeugs nach einer Entgleisung auf dem Beton der Fahrbahn für verschiedene Randbedingungen, beispielsweise verschiedene Geschwindigkeiten, verschiedene Fahrzeugmassen, etc. modelliert wird. Dadurch werden aus der Simulation Datensätze 1 18 erhalten, die eine entgleiste Fahrt darstellen. Dadurch ist es möglich, simulativ entgleiste Fahrten nachzustellen, deren reale Darstellung an Versuchsträgern durch reale

Entgleisungsversuche aufgrund des dafür erforderlichen Aufwandes wirtschaftlich nicht darstellbar wäre.

Diese Simulationsdaten 1 18 werden anschließend zur Validierung 124 des in dem Entgleisungsdetektionssystem 122 verwendeten Erkennungsalgorithmus verwendet. Zur Validierung 124 können des Weiteren Datensätze 120, die aus Versuchen, bei denen Messungen von normalen Fahrten auf einem Gleis und entgleisten Fahrten durchgeführt werden, ergänzend herangezogen werden.

Insgesamt steht damit ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung, mittels dessen ein Entgleisungsdetektionssystem 122 validiert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren 100 ist es dabei insbesondere möglich, für die Validierung 124 Daten 1 18 bereitzustellen, die Entgleisungssituationen nachbilden, welche durch Versuche nur mit einem erheblichen Aufwand erhalten werden könnten. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, eine umfassende Validierung 124 von

Entgleisungsdetektionssystemen 122 unter verschiedenen Randbedingungen, die durch reale Versuche nicht oder nur mit erheblichem Aufwand berücksichtigt werden könnten, durchzuführen. Das Vorgehen kann für beliebige Fahrwege, d.h. für verschiedene Materialien und Oberflächengestaltungen, angewandt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 Verfahren

101 Entgleisungsversuch

102 Fahrt Versuchsträger auf Betonfahrbahn

104 Messdaten

106 Simulationsmodell Entgleisungsversuch

108 Mehrkörpersystem-Modell des Versuchsträgers

1 10 Kontaktmodell Rad-Beton

1 12 Simulationsmodell

1 14 Mehrkörpersystem-Modell des Fahrzeugs

1 16 Rad-Oberflächenmodell für einen Fahrweg

1 18 Datensatz aus Simulation

120 Datensatz aus Versuchen

122 Entgleisungsdetektionssystem

124 Validierung