Rekonstruktion der originalen Gleislageabweichungen aus 3-Punkt-Signalen (Wandersehnenmessverfahren) und Beurteilung hinsichtlich Amplitude, Fehlerwellenlänge sowie Fehlerform

Klaus Ulrich Wolter
Kurzfassung Die regelmäßige Inspektion der Gleislagegeometrie ist wesentlicher Bestandteil der Instandhaltung der Eisenbahninfrastruktur. Häufig werden für diese Inspektionen Gleismessfahrzeuge eingesetzt, welche eine Wandersehne als Messverfahren verwenden. Dieses Messverfahren ist im Aufbau sehr einfach und kostengünstig zu realisieren [Eck 1999].
Der wesentliche Nachteil des Wandersehnenmessverfahrens besteht darin, dass die reale, formtreue Gleislagegeometrie verzerrt wiedergegeben wird. Bei vielen Eisenbahninfrastrukturunternehmen werden die Wandersehnenmesssignale für die Beurteilung der Gleislagegeometrie verwendet. Die Beurteilungsmaßstäbe sind auf das verwendete Messsystem abgestimmt. Dieses Verfahren ist als Stand der Technik anerkannt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Messergebnisse unterschiedlicher Wandersehnenmessverfahren nicht miteinander verglichen werden können, da die Verzerrung der realen, formtreuen Gleislagegeometrie stark von der verwendeten Länge der Wandersehne und der Sehnenteilung abhängt. Somit ist ein Vergleich der Gleislagequalität sowie der Beurteilungsmaßstäbe unterschiedlicher Eisenbahninfrastrukturunternehmen kaum möglich.
Für die Beurteilung der Gleislagegeometrie entsprechend der europäischen Norm EN 13848 müssen jedoch die realen, formtreuen Gleislagesignale verwendet werden. Wandersehnenmesssignale müssen in die realen, formtreuen Gleislagesignale zurückgerechnet werden, wenn die Inspektionen mit einem, auf einer Wandersehne basierenden, Inspektionsverfahren durchgeführt werden. Ein Verfahren für diese Rückrechnung wird in der EN 13848 nicht angegeben. Vielfach werden für diese Rückrechnung Näherungsverfahren für einen eingeschränkten Wellenlängenbereich angewendet. Ein Verfahren, welches die Rückrechnung für den gesamten Fehlerwellenlängenbereich ermöglicht, wurde vom Autor dieser Arbeit entwickelt. Ausgehend von der systemtheoretischen Beschreibung des Wandersehnenmessprinzips wird eine Methode zur Kompensation des Übertragungsverhaltens des Wandersehnenmessverfahrens entwickelt. Die in dieser Arbeit ausführlich erläuterte Methode ermöglicht eine nahezu exakte Umrechnung der Wandersehnenmesssignale in die reale, formtreue Gleislagegeometrie. Die Methode basiert auf Signalverarbeitungsverfahren, wie diese in der Nachrichten- und der Informationstechnik verwendet werden. Die Herangehensweise, wie in dieser Arbeit beschrieben, ermöglicht auch die Definition von Anforderungen an ein Wandersehnenmessverfahren, die eine möglichst exakte Rückrechnung ermöglichen. Des Weiteren lassen sich mit dieser Herangehensweise auch Umrechnungsvorschriften für die direkte Transformation von Wandersehnenmesssignalen unterschiedlicher Messsysteme ableiten. Dies wird in dieser Arbeit erläutert.
Diese direkte Umrechnung ermöglicht den direkten Vergleich der Gleislagequalität unterschiedlicher Eisenbahninfrastrukturunternehmen sowie deren Beurteilungsmaßstäbe. Für die Beurteilung der Gleislagegeometrie für Strecken mit einer Streckenhöchstgeschwindigkeit von mehr als 250 km/h müssen nach den Vorgaben der EN 13848 zusätzlich die Fehleramplituden im Wellenlängenbereich von 70 m bis 200 m beurteilt werden. Ab einem Wellenlängenbereich größer als 70 m überlagern sich langwellige Gleislageabweichungen mit der Trassierung. Eine Trennung der Gleislageabweichungen von der Trassierung mittels Filter ist nicht möglich. In dieser Arbeit wird ein Verfahren angegeben, welches die Trennung von langwelligen Gleislageabweichungen von der Trassierung ermöglicht. Zusammen mit der Rückrechnung und der Trassierungsanalyse können Wandersehnenmessverfahren für die Inspektion der Gleislagegeometrie entsprechend der EN 13848 auch für Wellenlängen größer als 70 m verwendet werden. Die Beurteilung der Gleislagegeometrie erfolgt derzeit ausschließlich anhand der Fehleramplitude.
Bei der Beurteilung entsprechend der EN 13848 werden für unterschiedliche Wellenlängenbereiche unterschiedliche maximale Fehleramplituden angegeben. Wesentlichen Einfluss auf die Reaktion der Eisenbahnfahrzeuge hat neben der Fehleramplitude und der Fehlerwellenlänge auch die Form der Gleislageabweichung. Damit bei künftigen Gleislagebeurteilungsverfahren die Reaktionen der Eisenbahnfahrzeuge mit berücksichtigt werden können, müssen Gleislageabweichungen hinsichtlich ihrer Fehleramplitude, Fehlerwellenlänge und Fehlerform beschrieben und bewertet werden.
Mit Hilfe der Wavelet-Transformation lassen sich Gleislageabweichungen entsprechend der obigen Anforderungen beschreiben. Für die bei der Wavelet-Transformation verwendeten Wavelet-Funktionen werden typische Fehlerformen von Gleislageabweichungen verwendet. Voraussetzung für diese Herangehensweise ist, dass die Fahrzeugreaktionen, hervorgerufen durch die Fehlerreferenzfunktionen, vergleichbar mit den Fahrzeugreaktionen realer, formtreuer Gleislageabweichungen sind. Die Prüfung dieser Voraussetzungen mittels Simulationsrechnungen bestätigte, dass Wavelets als Fehlerreferenzfunktionen verwendet werden können. Mit Hilfe von Simulationsrechnungen können für die Fehlerreferenzfunktionen Beurteilungsmaßstäbe für die maximale Fehleramplitude und die Fehlerwellenlänge in Abhängigkeit der Streckenhöchstgeschwindigkeit definiert werden.



Abstract

Regular inspection of track geometry is a key element in railway infrastructure maintenance. Such inspections are frequently carried out by track measuring vehicles that employ the chord offset method of measuring track geometry parameters. The chord, offset method is simple to set up and inexpensive to implement [Eck 1999]. The major disadvantage of the method is that it does not a yield a true (i.e. undistorted) representation of the actual track geometry. Many infrastructure management companies use chord offset measurement signals to assess track geometry. However, the assessment criteria vary depending on the particular measuring system used. The chord offset method is currently recognised as best practice in the field. A further disadvantage of the method is that the results acquired using different chord offset measuring techniques cannot be compared with one another as the geometric distortion that each technique introduces depends strongly on the chosen length of the chord and how it is subdivided. It is therefore almost impossible to compare the track geometry data or track quality assessment criteria from different railway infrastructure management companies.
In order to assess track geometry in accordance with European standard EN 13848, signals must provide a faithful representation of the actual track geometry. If inspections based on the chord offset method are to carried out, the signals generated by the chord offset method must be converted into signals that provide a true representation of the actual track geometry. However, the EN 13484 standard does not specify how such a transformation should be carried out. In many cases, the transformation is performed by applying approximate methods for a limited range of wavelengths. A method that permits the transformation to be performed for the full range of track geometry defect wavelengths has been developed by the author. Starting from a mathematical description of the chord offset method the author develops a method that compensates for the distortion introduced by the chord offset technique. The method, which is explained in detail in this work, is based on signal processing methodologies used in communications and IT engineering and enables the almost perfect transformation of the chord measurement signals back to the real shape of the track. The approach described in this work also enables the stipulation of criteria that a chord offset method should meet if signal conversion is to be performed as accurately as possible. A further advantage of the method described here is that rules can be derived for the direct transformation of chord offset signals from different measuring systems. This, too, is explained in detail in this thesis. Direct transformation enables the direct comparison of track quality assessment criteria and track quality data from different railway infrastructure management companies.
To assess track geometry on lines with a maximum permissible line speed above 250 km/h, the EN 13848 standard stipulates that the amplitudes of track geometry defects in the wavelength range 70 m to 200 m must also be taken into account. At wavelengths of more than 70 m, any long-wavelength anomalies in track geometry will be superimposed on the track layout. Filters cannot be used to separate the actual track anomalies from track layout effects. This thesis presents a method that enables longwavelength defects in track geometry to be separated from such track layout effects. When combined with the transformation technique and the track layout analysis described in this thesis, the chord offset method can be used to inspect track geometry in accordance with EN 13484 even when the track defect wavelength exceeds 70 m.
At present, track geometry quality is assessed solely on the basis of the amplitude of track geometry anomalies. The EN 13848 standard requires assessment to be based on different maximum track defect amplitudes that are specified for the different wavelength ranges. The dynamic response of a railway vehicle is affected not only by the amplitude and the wavelength of track irregularities, but also by their shape. If vehicle response data is to be included in future track geometry measurement procedures it will be necessary to describe and assess the amplitude, wavelength and shape of track geometry anomalies. The wavelet transformation technique provides a means of describing track geometry defects that meets these requirements. The wavelet functions used in the wavelet analysis are based on the typical shapes of track geometry defects.
This approach assumes that the vehicle response characteristics generated by the track defect reference functions are comparable to the vehicle responses observed with real track geometry deviations. Simulations performed to check this assumption showed that wavelets can indeed be used as track geometry defect reference functions. Simulations can therefore be used to define assessment criteria for the reference functions in which the maximum amplitude and the wavelength of the track irregularities are expressed as a function of maximum line speed.