Trassierungsdetektion bei Schienenfahrzeugen

Einleitung

Die Motivation für dieses Projekt stammt aus einer aktuellen Aufgabenstellung in der Schienenfahrzeugindustrie (Siemens TS). Im Konkreten geht es dabei um die Erfassung und Analyse von befahrenen Bahnstrecken zur Charakterisierung des Einsatzspiegels von Schienenfahrzeugen. Eine derartige Beurteilung von Strecken ist in Hinblick auf die festigkeits- und komfortechnische Auslegung von Fahrzeugkomponenten von hoher Relevanz. Die Ausgangsdaten für die Bewertung bilden die Messungen von Drehratengebern in Kombination mit der aktuellen Fahrgeschwindigkeit. Aus diesen Daten lässt sich in einfacher Weise das Krümmungsbild (Darstellung des horizontalen Krümmungsverlaufs entlang des Fahrwegs) berechnen, das die wichtigste quantitative Grösse zur Charakterisierung der Trassierung darstellt. Insbesondere im Bereich der Vollbahn treten im Krümmungsbild nur 3 spezifische Trassierungselemente auf:

Gerades Gleis
Bogen mit konstantem Radius
Übergangsbogen mit linear zu- oder abnehmendem Radius (Klothoidenbögen)

Das Ziel des Projekts ist die Zerlegung der Fahrstrecke in diese diskreten Elemente und die nachfolgende statistische Auswertung.

Algorithmus

Leider ist es mir nicht möglich den Lösungsalgorithmus detailliert preiszugeben, da sich das erarbeitete Know How im Besitz von Siemens TS befindet. Ich möchte an dieser Stelle lediglich einige programmiertechnische Schwerpunkte angeben:

GUI-Programmierung und Verwaltung mehrerer Figures
Data-Fitting und nichtlineare Optimierung
Automatisiertes Ansteuern der Applikationen Word und Excel über ActiveX

Im wesentlichen basiert die automatische Detektion auf speziellen nichtlinearen Modellfunktionen die mit einem Fensteralgorithmnus an die Daten angepasst werden. Die Betrachtung der Modellfehler nach erfolgter Parameteridentifikation legt die Zugehörigkeit der Datenpunkte zu einem der 3 Elementtypen fest. Aufgrund des hohen stochastischen Anteils der Ausgangsdaten auf der einen Seite und einer Abweichung der realen Trassierung von der idealisierten, auf der anderen Seite, kann nicht von einer 100%-Erkennung der Streckenelemente ausgegangen werden. Daher muss das Tool die Möglichkeit bieten, die erkannte Trassierung interaktiv zu verändern und zu erweitern. Weitere Features des Tools sind die Generierung einer Excel-Streckendatei sowie die Darstellung der Ergebnisse in einer automatisch generierten Word-Datei mit den Streckenverläufen.

Ergebnisse

In der rechten Abbildung ist das Ergebnis des Tools nach durchgeführter automatischer Detektion zu sehen. Man sieht intuitiv, dass in die Identifikation in Bereichen, in denen auch mit freiem Auge eine eindeutige Zuordnung zu den Trassierungselementen getroffen werden kann, recht gut funktioniert.	Ergebnis der automatischen Detektion
Speziell im Bahnhofsbereich oder bei manchen Weichenüberfahrten ist eine Zuordnung der Streckenabschnitte zu den diskreten Trassierungselementen nur sehr schwer zu treffen. An diesen Stellen ist eine Nachbearbeitung des Identifikationsergebnissen nur schwer zu vermeiden.	Schwierig zu identifizierende Signalabschnitte
Nach erfolgter Identifikation können die Ergebnisse in Form einer Excel-Datei formatiert ausgegeben werden.	Streckenauswertung
Mit Hilfe von Histogrammdarstellungen und Bogenübergangsmatrizen können Strecken hinsichtlich ihrer Trassierung charakterisiert werden.	Generierte Streckendatei