Parametrisierung der Gleisgeometrie aus Befahrungsdaten von Gleismesswagen. Diplom-Ingenieur

Transkript

1 Tehnshe Unverstät Berln - Insttut für Geodäse und Geonforatonstehnk Paraetrserung der Glesgeoetre aus Befahrungsdaten von Glesesswagen von der Fakultät VI - Baungeneur- und Veressungswesen - der Tehnshen Unverstät Berln zur Erlangung des Grades Dplo-Ingeneur Nels Heuwold geboren n Neubrandenburg Berln, August 00 Fahgebet für Geodäse und Ausglehungsrehnung

2 Inhaltsverzehns Enführung.... Probledarstellung.... Glederung... Glesesswagen Grundbegrffe...3. Bespele für Glesesswagen Funktonswese des Plasser & Theurer Glesesswagens EM Vortele von Glesesswagen... 3 Messdaten-Vorverarbetung Erzeugung von rüungs- und Radenbldern aus Pfelhöhen albrerung (rehnershe) der nduktven Messgeber orrektur des rüungs- und Radenbldes Eleentfndung Planungsrhtlnen und -verordnungen Trasserungseleente rüungs- und Radenbld Egenshwngung des Messwagens Trasseneleente-Roherkennung Nahberetung der Trasseneleente-Roherkennung Bestung der Trasserungsparaeter Bestung der Eleentübergangskoordnaten Nahdetekterung sehr kurzer resbögen Fehlerfortpflanzung für oordnaten der Eleentübergänge L,-Syste Maßstab n der Bogenlängenessung Erprobung und Analyse Bewertung der Ergebnsse Velfältge Möglhketen zur Darstellung der Ergebnsse Zusaenfassung Fazt Grenzen des Verfahrens zur Detekterung Ausblk Lteraturverzehns Anhang A... 7 Genaugket der Detekterung ttels 'ralsoft.0'... 7 Anhang B Bedenungsanletung 'ralsoft.0'... 74

3 Enführung Enführung. Probledarstellung In der autoatserten Glesveressung werden set a. 30 Jahren Glesesswagen genutzt, u Inforatonen über Gleszustände zu gewnnen und n der Hauptsahe Glesfehllagen zur Gewährlestung der Fahrsherhet aufzudeken. De esten deser fahrbaren Messenrhtungen baseren auf de Langsehnen-Verfahren. Während ener Messfahrt wrd jeder Glesstrang durh Pfelhöhenessungen t ener Messwagen- Basslänge von a n regeläßgen Abständen dskretsert. Als Ergebns legen 'horzontale' (sehe Beerkung ap. 3.3.) und vertkale rüungsbänder der Glesstränge vor. Auf Grund des bsher verbreteten Vorgehens, be der Auswertung der so gewonnenen Messdaten jeden Abtastpunkt enzeln zu bewerten, st ene Aufdekung von langwellgen Gleslagefehlern (wetaus länger als de Messwagenlänge) - z.b. von großflähgeren Setzungen (u.a. be Brükenbauten), oder Glesvershebungen n Folge der Enwrkung der Flehkraft zur urvenaußensete - nht ohne weteres öglh. Ene Betrahtung der dskreten Messpunkte als Bestandtele von Trasserungseleenten st nötg. In dese Zusaenhang wrd n der vorlegenden Arbet en Ansatz zur autoatserten Bestung der horzontalen Glesgeoetre - konkret der Trasserungseleente und deren Paraeter - erarbetet, n ene Software-Lösung ('ralsoft.0') ugesetzt und anhand praktsher Bespele der Berlner U-Bahn getestet. Grundlage der Bestung st de enntns der verwendeten Trasserungseleent-Typen und deren funktonale Zusaenhänge rüungsverlauf (rüungsbld). Es werden rteren zur Detekterung der Eleente aufgestellt, deren lnearer Verlauf rüungsbld (Geraden, lothoden, resbögen) durh ene verttelnde Ausglehung bestt und de Eleentübergangspunkte durh Shntt der Regressonsgeraden erttelt. De autoatserte Bestung der Trasserungseleente und deren Paraeter st nsofern bedeutsa, da so nht nur Gleslagefehler erttelt werden können, sondern auh Glese deren Geoetre nht bekannt st erfasst werden können. De Unkenntns der Gleslage st nah [PRESLE 999] selbst n Industre-Natonen oftals der Fall. Sot betet de Erfassung der Glesgeoetre de Möglhket zur Opterung des Glesverlaufes, zur Anpassung an oderne Trasserungsrhtlnen und zur dauerhaften Dokuentaton und Arhverung.

4 Enführung. Glederung aptel betet ene Enführung n de fahlhen Begrffe des Glesbaus und der Glesveressung. Es werden Bespele für Glesesswagen und deren Funktonswese (spezell des be den Berlner Verkehrsbetreben benutzten Plasser & Theurer EM 80) erklärt. In aptel 3 werden de gänggen oordnatensystee der Trassenplanung Grundrss vorgestellt. Des snd nsbesondere das L,-Syste (rüungsbld) und das L,R-Syste (Radenbld). Notwendge Reduktonen zu Erhalt enes horzontal gelagerten rüungsbldes der Glesahse werden aufgezegt. aptel 4 shldert de Rahenbedngungen für Trasserungen auf den Streken der Berlner U-Bahn und de Vorgehenswese zur ersten Detekterung der Trasserungseleente aus rüungs- und Radenverlauf (Roherkennung). aptel 5 veranshaulht Möglhketen zur Verbesserung der Eleentübergangskoordnaten und der Paraeter der Trasserungseleente. Hlfsttel snd Methoden der Ausglehungsrehnung. Für de erttelten oordnaten der Eleentübergänge L,-Syste werden über Fehlerfortpflanzung Standardabwehungen erttelt. De Analyse der Ergebnsse anhand von Testdatensätzen von Glesabshntten der Berlner U-Bahn erfolgt n aptel 6. aptel 7 gbt ene kurze Zusaenfassung, zegt de Grenzen des entwkelten Verfahrens zur Detekterung der Trasseneleente auf und gbt enen Ausblk.

5 Glesesswagen 3 Glesesswagen. Grundbegrffe Glesstrang En Gles besteht aus Glessträngen, welhe durh Shwellen aus Holz oder Beton verbunden snd. Glesstränge (auh Shenen genannt) snd aus hohwertge Stahl und üssen nahezu punktförgen Radlasten von 0 t und ehr standhalten. ( aus [FIEDLER 999] ) Glesahse De Glesahse st nah [HENNECE 993] de n Längsrhtung des Gleses verlaufende Mttellne zwshen den Glessträngen. In urven t Spurerweterungen (sehe Spurerweterung) verläuft de Glesahse parallel zu äußeren Shenenstrang Abstand der halben Noralspurwete (sehe Spurwete). loetrerung De loetrerungslne setzt sh nah [HENNECE 993] aus den Trasserungseleenten der Gles- und Strekenahse zusaen. Se verläuft be englesgen Streken n der Glesahse. Nah den Rhtlnen für Planung und Trasserung der Berlner U-Bahn [RPT 970] st de loetrerungslne für de n der Regel zweglesgen Streken der Berlner U-Bahn auf der Bahnahse näherungswese ttg zwshen den Glesen festzulegen. (Anerkung: De nnerhalb der vorlegenden Arbet oft verwendete Bogenlänge L auf der Glesahse st sot nht dentsh t der loetrerung der zweglesgen Strekenabshntte.) Gradente De Gradente st laut [HENNECE 993] der vertkale Verlauf (Längsprofl) der Trasserungslne. I Allgeenen bezeht sh de Gradente auf de Shenenoberkante der nht überhöhten Shene. (sehe Überhöhung) Spurwete De Spurwete st nah [FIEDLER 999] der klenste Abstand zwshen den Shenenkopfnnenflähen enes Gleses. Dese wrd be Noralspurbahnen Bereh 0-4 unter der Shenenoberkante erttelt. (be Shalspurbahnen 0-0 unter Shenenoberkante) I Berner Abkoen von 886 st de Noralspurwete für Europa t 435 festgelegt worden.

6 Glesesswagen 4 Spurerweterung I urvenverlauf wrd aus Gründen von n sh nht beweglhen -ahsgen Fahrgestellen de Spurwete vergrößert. Dese Aufwetung erfolgt zur urvennnensete. Nah [RPT 970] wrd be der Berlner U-Bahn auf ene Spurerweterung verzhtet, wel alle Fahrzeuge t Drehgestellen ausgerüstet snd. Pfelhöhe Ene Pfelhöhe st der orthogonale horzontal verlaufende Abstand enes Punktes zur Pfelhöhenbass (Sehne). In den esten Fällen wrd de Bass der Pfelhöhenessung (Sehne) durh de Abtastpunkte der Messahsen und 3 des Messwagens festgelegt und de Pfelhöhe an der Messahse geessen. Gerngfügge Abwehungen von ener horzontal gelagerten Pfelhöhe treten durh Überhöhung und Längsnegung enes Gleses auf, denen der Messwagen und sot auh de Pfelhöhenessanordnung Fahrtverlauf folgt. Längshöhe Ene Längshöhe entsprht exakt ener Pfelhöhe n vertkaler Anordnung und wrd zur Erttlung der Gradente genutzt. Überhöhung Überhöhung st der Abstand zwshen den Tangentalebenen an de Gradenten beder Glesstränge. Se wrd oft auh als 'Querhöhe' bezehnet und stellt enen Höhenuntershed zwshen rehte und lnke Glesstrang dar. De Überhöhung wrd zur opensaton der Flehkräfte n urven verwendet und n der Regel auf de kurvenäußeren Glesstrang aufgetragen. Enen Idealzustand erreht de Überhöhung, wenn de resulterende raft F R aus Flehkraft F und Gewhtskraft G senkreht zu der Verbndung beder Shenenoberkanten wrkt. Abbldung.: opensaton der Flehkraft durh Überhöhung [FÜRMETZ 985]

7 Glesesswagen 5. Bespele für Glesesswagen An deser Stelle seen zwe Glesesswagen exeplarsh aus de zahlrehen Repertore der Hersteller vorgestellt. De Berlner Verkehrsbetrebe (BVG) benutzen zur Gleskontrolle und Glesabnahe enen Glesesswagen der österrehshen Fra Plasser & Theurer. Das Modell EM 80 (Baujahr 984) st für ene Höhstgeshwndgket von bs zu 80 k/h ausgelegt. Dese Fahr- und Messgeshwndgket egnet sh sot deal für den Betreb auf U-Bahn- Streken, deren Entwurfsgeshwndgket häufg k/h beträgt. Abbldung.: Glesesswagen EM 80 (Plasser & Theurer) Der Glesesswagen EM80 eröglht ene Regstrerung von: - Bogenlänge entlang des lnken Shenenstranges - Längshöhe lnks und rehts [] - Pfelhöhe lnks und rehts [] - Überhöhung [] - Spurwete [] - Geshwndgket des Messwagens [k/h] - Höhe der Stroshene - Abstand der Stroshene De Abtastdhte beträgt 5, de Pfelhöhenbasslänge 0.

8 Glesesswagen 6 De DB Netz AG betrebt auf den a k des DB-Glesnetzes de autoatserte Messung t der egenst entwkelten Oberbauesswagenenhet (OMWE). Se eröglht de Messung derselben Paraeter we berets be EM 80 der BVG aufgezählt. I Untershed zur Funktonswese des Plasser & Theurer EM 80 wrd her der Glesverlauf ttels enes Inertalsystes erfasst. Aus den Messwerten der Beshleungungsesser werden über doppelte Integraton etrshe Längenaße erttelt. De Spurwete wrd nah [DB OMWE 998] 4 unter der Shenenoberkante durh optshe Antastung der Shenen erttelt. Abbldung.3: Glesesswagen OMWE (Deutshe Bahn AG) Zusätzlh st de absolute Postonsbestung des Messwagens ttels ntegrerte GPS-Epfänger öglh. De Abtastntervalle der Sensoren betragen 6. De Wagenlänge der Oberbauesswagenenhet (OMWE) beträgt 48.

9 Glesesswagen 7.3 Funktonswese des Plasser & Theurer Glesesswagens EM Messung ttels nduktver Wegaufneher Nahezu alle bekannten Glesesswagen baseren auf der Messung von Pfelhöhen. Der rüungsverlauf der Glesstränge wrd so n glehabständgen Abtastntervallen n horzontaler und vertkaler Lage dskretsert. De Messungen erfolgen be EM 80 der österrehshen Fra Plasser & Theurer t nduktven Wegnehern. Dese snd an Abtastern befestgt, welhe fortlaufend gegen de Shenenköpfe gepresst werden. Das bedeutet, es werden nht drekt Streken für de Berehnung der Pfelhöhen und sonstgen Größen geessen, sondern de Änderung der Spannung, de aus der Bewegung der erne n den Spulen resultert. Alle Sensoren werden vor Messfahrtbegnn auf enen Sollwert kalbrert. De Messwerte entsprehen Änderungen zu albrerwert. Sot gehört deses Messverfahren n de Gruppe der relatven Messverfahren. De geessenen Spannungsänderungen werden be Glesesswagen der BVG durh de Software 'gead' der Fra TECHNET n etrshe Längenaße anhand von Ehtabellen überführt. (sehe Abshntt.3. Datenerfassung) De Genaugket deser Messwerte legt Bereh von Datenerfassung De Erttlung und Speherung der Bewegung des Glesesswagens erfolgt durh de Software 'gead' der Fra TECHNET. De Ergebnsse des Uwandlungsprozesses der geessenen Induktvtäten n etrshe Längenaße werden auf Grund der hohen Speherntenstät n bnären Dateen abgelegt. De Datenerfassung (Messung) erfolgt alle dl = 5. De Auslösung der Messung wrd über en Messrad a lnken Glesstrang gesteuert. I Aufzehnungsprogra 'gead' fndet nht nur de Speherung der ugewandelten Messwerte statt, sondern auh ene Vorverarbetung der enzelnen Messwerte. So entstehen Pseudo-Messwerte, de n aptel.3.3 näher erläutert werden. Durh das Nht-Spehern der orgnalen Messdaten st es Nahhnen nht öglh, orrelatonen der vorverarbeteten Pseudo-Messwerte n etwagen Ausglehungen zu berükshtgen. Ene Änderung deser Aufzehnungsethode sollte für eventuell folgende Untersuhungen n Betraht gezogen werden.

10 Glesesswagen Messgrößen Bogenlänge Der Messung der Bogenlänge L kot nsofern ene hohe Bedeutung zu, da auf hr de Steuerung des Aufnahezetpunktes und de Speherung aller weteren Messwerte baseren. De Mess-Intervalle betragen dl = 5 (sehe Abshntt.). De Bogenlänge wrd a lnken Glesstrang ttels enes tgeführten Messrades (Drehgeber) an der ttleren Messahse (Messahse ) erttelt, dessen Udrehungen fortlaufend geessen werden. Abbldung.4: Messrad zur Bestung der Bogenlänge Pfelhöhe De Messung der Pfelhöhen h erfolgt ttels 6 Sensoren (jewels je Ahse) n der Ebene, de durh de 3 Messahsen defnert wrd. So können je ene Pfelhöhe auf der rehten und ene auf der lnken Sete des Glesesswagens aus jewels 3 Sensoren bestt werden. De Messebene verläuft, abgesehen von Überhöhung und Längsnegung, horzontal. Abbldung.5: Aufbau des Glesesswagens EM 80 [PLASSER&THEURER 996] In der vorangegangenen Abbldung.5 st der Aufbau des Mess-Systes des Glesesswagens EM 80 zu sehen. Gut zu erkennen st de Bass der Pfelhöhe von 0 (Abstand zwshen Ahse und Ahse 3) und der asyetrshe Fußpunkt der

11 Glesesswagen 9 Pfelhöhenessung be 4 (Abstand zwshen Ahse und Ahse ) bzw. 6 (Abstand zwshen Ahse und Ahse 3). De Noralessbass von 0 wrd nur auf geraden Strekenabshntten engehalten. Durh de Drehung der 3 zweahsgen Fahrgestelle n urven verändert sh dese Bass. Se wrd urvennnenbogen verkürzt und a äußeren Shenenstrang verlängert. Dese Änderung der Bass der Pfelhöhe wrd ttels der Sensoren ALC und ALC3 erfasst und während der Aufzehnung ttels 'gead' auf de Noralbass von 0 korrgert. Abbldung.6: Veränderung der Pfelhöhenbass n urven De Pfelhöhe des rehten Glesstranges wrd von der Aufzehnungssoftware 'gead' über de Pfelhöhe des lnken Stranges und de geessene Spurwete berehnet und stellt sot kenen Messwert egentlhen Snne dar. Daher wrd deser Wert zur Bestung des rüungsbldes nnerhalb deser Arbet nht benutzt. Dese geessene (jedoh nht aufgezehnete) redundante Pfelhöhe der rehten Sete wäre selbstverständlh ene wllkoene ontrolle und en Indkator für de Genaugket des Messverfahrens. De Messdaten für de Pfelhöhen betragen laut Festlegung n 'gead' n Lnkskurven Werte < 0 und für Rehtskurven deentsprehend Werte > 0. Längshöhe In Analoge zur Pfelhöhe erfolgt de Messung der Längshöhe ttels 6 Sensoren (jewels Sensoren je Messahse). Dese essen de vertkale Bewegung der Ahsbuhsen gegen den Wagenkasten.

12 Glesesswagen 0 Überhöhung De Überhöhung ü wrd über de Sensoren der Längshöhe an der ttleren Messahse erttelt. Zusätzlh lefert en Negungsesser kontnuerlh de Quernegung des Wagenkastens gegen de Horzontalebene Punkt des Negungsessers. De Vorzehenregelung wurde n der Aufzehnungssoftware 'gead' we folgt festgelegt: De Überhöhung beträgt n urven t überhöhte rehten Glesstrang (typsherwese Lnkskurven) Werte < 0, und deentsprehend n urven t überhöhte lnken Glesstrang (typsherwese Rehtskurven) Werte > 0. Spurwete De Spurwete Sw wrd an der ttleren Messahse (Messahse ) geessen. Zwe Wegaufneher essen den Abstand zu rehten bzw. lnken Glesstrang. Zwshen beden Sensoren blebt der Abstand konstruktonsbedngt konstant. Der albrerung der Wegaufneher auf enen Sollwert vor Begnn der Messfahrt kot ene entshedende Bedeutung zu. Es werden ledglh Dfferenzen zu dese albrerwert geessen. Abbldung.7: Shea der Spurwetenessung des EM 80

13 Glesesswagen.4 Vortele von Glesesswagen Das Bestreben nah hoher Wrtshaftlhket der Strekenabshntte bewrkt häufg ene enore Belastung der Glese. Hohe Fahrgeshwndgketen zu Bespel der ICE von bs zu 300 k/h bewrken große Flehkräfte n urven. Zetlh dhte Zugfolgen ( Extrefall be der Berlner U-Bahn zu Hauptverkehrszeten alle 3 Mnuten) und shwere Güterzüge (Gewht bs zu a. 0 t/ahse) beanspruhen das Gles sehr stark. Fehllagen der Glese und erhöhter Vershleß snd de logshe Folge. De entstandenen Gleslagefehler führen zu ener weteren Erhöhung des Vershleßes an den Wagenrädern und erheblh shlehtere Fahrkofort, Extrefall zur Enshränkung der Betrebssherhet. De DB Netz AG sst daher de Hohgeshwndgketsstreken der ICE s a. alle Monate t der Oberbauesswagenenhet (OMWE) auf. Das koplette Netz der DB Netz AG ufasst a k und uss n regeläßgen Zyklen alle 8 Monate nspzert werden. De Betrebssherhet des Berlner U-Bahn-Strekennetzes t ener Länge von a. 50 k uss von den Berlner Verkehrsbetreben (BVG) enal jährlh nahgewesen werden. Was bewegt Fren zu großflähgen Ensatz der Glesesswagen? Zur Behebung der Lagefehler snd oft kene Glessperrungen öglh oder t hohe Aufwand und hohen osten verbunden. De koplette Sperrung des aufzuessenden Strekenabshnttes st t de Ensatz von Glesesswagen jedoh nht notwendg. Bespelswese nutzen de Berlner Verkehrsbetrebe (BVG) de nähtlhe Betrebspause der U-Bahn zwshen.00 und 4.00 Uhr für de turnusäßgen Überprüfungen des Glesnetzes. De außerordentlh shnelle Inforatonsgewnnung über den Gleszustand eröglht weterhn den zelgerhteten und dat wrtshaftlhen Ensatz von Stopf- und Rhtashnen an Abshntten t Glesfehllagen außerhalb der zulässgen Toleranzen. Glesesswagen stellen sot enen erheblhen ostensenkungsfaktor dar. Glesesswagen snd außerde für Bauabnahen verwendbar.

14 Glesesswagen Wetere Vortele autoatserter Glesaufessung snd: - kurze Aufesszeten (BVG: a. 0 k/h; axale Fahrgeshwndgket des Messwagens EM 80 (BVG) be Messung: 80k/h; des OMWE (DB): 0k/h) - shnelle Inforatonsgewnnung durh rehnergestützte Speherung und Auswertung der Messungen - ren dgtaler Datenfluss Auswerteprozess, shnelle und übershtlhe theatshe grafshe und textlhe Darstellungen snd öglh - sehr gute (langfrstge) Arhverungsöglhketen auf dgtalen Datenträgern En weterer Aspekt: Durh tehnshe Fortshrtte Gleskörperbau und der Bahntehnk wahsen nunehr auh de Anforderungen an ene genaue und shnelle Aufessung der Glese. So hat n velen Berehen berets de sogenannte feste Fahrbahn (Glesunterbau aus Beton) Enzug gehalten, wodurh genauere Postonerungen des Gleses öglh wurden, aber auh enor wenger Shwngung aufgenoen werden kann, und sot Stöße nahezu ungedäpft an den Wagen wetergegeben werden. Bsher waren dese festen Fahrbahnen den Hohgeshwndgketsstreken der ICE s vorbehalten - nzwshen werden auh für U-Bahnen erste Teststreken (z.b. U Höhe Prnzenstraße) engerhtet. Es st zu erwarten, dass sh deser Gleskörper t kostengünstgerer Herstellung auh U-Bahn-Betreb durhsetzen wrd. Dese Entwklung bedeutet natürlh ene zunehende Belastung des Glesoberbaus und der darauf fahrenden Räder der Gleswagen. Zur Erhaltung des geforderten Fahrkoforts und der Verrngerung des Vershleßes st es daher notwendg geworden, de Wartungsntervalle der Glese stark zu verkürzen. Daher snd wetestgehend autoatserte und sot wrtshaftlhe Aufnahe- und Auswerteverfahren für de Glesaufnahe zwngend notwendg und erforderlh.

15 Messdaten-Vorverarbetung 3 3 Messdaten-Vorverarbetung De wetere spezelle Messdatenaufberetung und -auswertung wrd anhand der Messdaten der Berlner Verkehrsbetrebe (BVG) von Streken der Berlner U-Bahn und der Geoetre des verwendeten Glesesswagens Plasser & Theurer EM 80 vollzogen. 3. Erzeugung von rüungs- und Radenbldern aus Pfelhöhen 3.. Erttlung der rüung ttels Pfelhöhen Aus der Abshntt beshrebenen Pfelhöhe und de Wssen über de Anordnung der durh das Prograsyste 'gead' (sehe Abshntt.3) vorbearbeteten Pfelhöhe h lässt sh en Radus aus den jewels 3 Punkten ener Pfelhöhenessung lokalen Syste der Pfelhöhe berehnen. Whtge Daten herfür snd de Bass b der Pfelhöhe von 0, und de Anordnung des Fußpunktes der Pfelhöhe be 4 (von Punkt ) bzw. 6 (von Punkt 3). Sot ergbt sh lokalen Syste der Pfelhöhe: P =[0, 0] P =[h, 6] P 3 =[0, 0] (alle oordnaten n []) () η sn( ε + γ ) sn = s P P 0 η = artan 6 h ( γ + ε ) = arsn b sn () η ( 4) + ( h) ( γ ε ) δ = π + Abbldung 3.: Erttlung der rüung aus Pfelhöhen Der Radus der Pfelhöhe st durh de Punkte P.. P 3 endeutg festgelegt und ergbt sh b zu R =. (3.) δ sn De rüung ergbt sh aus de Zusaenhang =. (3.) R

16 Messdaten-Vorverarbetung Radenbld ( L,R - oordnatensyste ) Stellt an de erttelten Raden R der Trasse über der Bogenlänge L n ener Grafk dar, erhält an das Radenbld (Grundrss-Darstellung): Abbldung 3.: Radenbld (L,R-Syste) Da der Radus an deser Stelle aus der lnken Pfelhöhe gewonnen wurde, st der berehnete Radus dezufolge auh der Wert für den lnken Glesstrang. Deser wrd n den folgenden Berehnungen des Abshnttes 3.3 zur Erttlung des Radus bzw. der rüung der Glesahse verwendet rüungsbld ( L, - oordnatensyste ) Werden de rüungen ener Trasse über der Bogenlänge L aufgetragen, entsteht das rüungsbld (Grundrss-Darstellung): Abbldung 3.3: rüungsbld (L,-Syste) Abbldung 3.3 zegt den selben Glesabshntt we das Radenbld (Abbldung 3.).

17 Messdaten-Vorverarbetung 5 Vorzehenregelung: In der Matheatk werden nah [BRONSTEIN 999] n Fahrtrhtung lnksgekrüte Eleente (z.b. resbogen n ener Lnkskurve) rüungsbld t postven Vorzehen der rüung abgebldet, rehtsgekrüte Eleente t negatve Vorzehen. I Gegensatz dazu wrd aus Gründen der Anshaulhket häufg be der grafshen Darstellung des rüungsverlaufes ener Trasse dazu übergegangen, Rehtsbogen n postver Rhtung und Lnksbogen n negatver Rhtung abzutragen. Der Vortel deser Darstellungswese st ene grundrssähnlhe Darstellung des rüungsverlaufes. Nah deser Festlegung snd auh sätlhe Darstellungen n der vorlegenden Arbet erstellt. 3. albrerung (rehnershe) der nduktven Messgeber Alle Sensoren (hauptsählh nduktve Wegaufneher; sehe Abshntt.3.) werden vor Begnn jeder Messfahrt kalbrert. I praktshen Betreb wrd der Glesesswagen auf ene Glesabshntt angehalten, von de an annt, dass er sh auf ener Geraden befndet und de Glesstränge den Abstand der Noralspurwete von 435 aufwesen. An deser Stelle werden alle nduktven Wegaufneher der Pfelhöhen- und Spurwetenessung auf enen Nullwert gesetzt. Alle weteren Messungen während der Messfahrt stellen Dfferenzen zu dese albrerwert dar. Fehllagen (Abwehungen von der Geradenfor bzw. der Noralspurwete) des zur albrerung benutzten Glesabshnttes bewrken dezufolge enen konstanten Versatz (Addtonskonstante) aller während der Messfahrt aufgezehneten Messwerte. Deser Versatz kann t den folgenden Bedngungen n den Berehen von Geraden erttelt werden. Als Bedngungen werden engeführt: De rüung und sot de geessene Pfelhöhe h ener Geraden beträgt 0. ( =0; h=0 ) De Spurwete auf ener Geraden entsprht der Noralspurwete von 435. Der häufg anzutreffende Versatz kann durh de hohe Redundanz der Messpunkte (est ehrere tausend Punkte) auf Geraden sehr geshert rüungsbld rehnersh bestt werden. Herzu wrd ene aptel 4.4 beshrebene Roherkennung der Trasseneleente durhgeführt, und so de Berehe der Geraden lokalsert.

18 Messdaten-Vorverarbetung 6 Durh alle Punkte auf Geraden wrd L,-Syste (rüungsbld) ene ausglehende Gerade ( = L+n) t de Ansteg = 0 berehnet. Da bauartbedngt kene groben Fehler (Ausreßer) n den Messwerten auftreten können (Noralvertelung), wrd dese Regressonsgerade durh trvale Mttelbldung t glehen Gewhten aller Messpunkte erttelt. Der Versatz = n der Regressonsgeraden zur Ahse = 0 und der Versatz Sw = n sw zur Ahse Sw = 435 stellen de anzubrngenden albrerwerte dar. Abbldung 3.4: albrerung der Sensoren zur Pfelhöhenerttlung Abbldung 3.5: albrerung der Sensoren zur Spurwetenerttlung De rehnershe albrerung der Sensoren wrd von der Software 'ralsoft.0' für jeden Datensatz vorgenoen. De albrerung kann nur für klene Versätze autoatsert erfolgen, be denen de Geraden n der Roherkennung noh als solhe detektert werden können. Ist auf Grund enes größeren albrerversatzes de autoatshe albrerung nht öglh, besteht de Möglhket, de albrerung anuell über ene Steuerdate durhzuführen. In den Test-Datensätzen (sehe Abshntt 6) wurden alle albrerversätze autoatsert n ener Größenordnung bs zu festgestellt.

19 Messdaten-Vorverarbetung 7 Ohne albrerung würden de erttelten Paraeter R der resbögen auf Grund enes Versatzes von we folgt verfälsht: Radenänderung dr [] Radus R [] Abbldung 3.6: Änderung des Paraeters R als Folge der albrerung Es st zu erkennen, dass de orrektur t zunehende urvenradus extre zunt. Doh shon be ene Radus von 480 beträgt de orrektur des Paraeters R 8,5. Auh de Auswrkung auf de albrerung der Sensoren zur Spurwetenessung kann bedeutende Auswrkung haben, da nah [FIEDLER 999] und [FÜRMETZ 985] Abwehungen von der Noralspurwete aus sherhetstehnshen Gründen nur Bereh -5 bs +30 zulässg snd. De relevanten Abwehungen zur Mnerung des Vershleßes an Rad und Shene dürften sot wet unter de zulässgen Toleranzbereh von 35 legen. Be der Bauabnahe von Glesen snd nah [FÜRMETZ 985] de zulässgen Abwehungen vo Sollaß der Spurwete (Noralspurwete Sw = 435 ) ±. De Glesveressung zur Bauabnahe erfordert dezufolge ene Genaugket unter ±. Jeder erttelte Versatz wrd t Hlfe des T-Tests auf Sgnfkanz geprüft. Das arthetshe Mttel aus n Beobahtungen der noralvertelten Zufallsveränderlhen x unterlegt der t-vertelung (Student-Vertelung) [GRÜNDIG]. De Prüfgröße t ergbt sh aus: x ξ t = t x vv x = ; = (3.3) n n x... Versatz ( arthetshes Mttel) ξ... Erwartungswert ( ξ x = 435)... Shätzwert für de Standardabwehung des arthetshen Mttels = 0, ξ Sw

20 Messdaten-Vorverarbetung 8 De t-vertelung geht nah [GRÜNDIG] für Frehetsgrade f -> n de norerte Noralvertelung über. I vorlegenden Fall der Sensorkalbrerung beträgt der Frehetsgrad est wet über f > 000. Sot kann von ener Noralvertelung der Messwerte ausgegangen werden. De Prüfgröße u ergbt sh aus: x ξ u = (3.4) σ x x... Versatz ( arthetshes Mttel) ξ... Erwartungswert ( ξ = 0, ξ = 435) x σ... Standardabwehung des arthetshen Mttels Sw Übershretet de Prüfgröße u den Shrankenwert u S =,96 st der bestte Versatz t 95%-ger statstsher Sherhet sgnfkant und de Messwerte werden von der Software 'ralsoft.0' korrgert. I anderen Falle st der bestte Wert t 95%-ger statstsher Sherhet nht sgnfkant und kann vernahlässgt werden. Ergebns des T-Tests st n der absoluten Mehrhet de Bestätgung der Sgnfkanz des erttelten albrerversatzes n den Testdatensätzen. 3.3 orrektur des rüungs- und Radenbldes In der Planung von Verkehrswegen st de getrennte Festlegung der Trasserungseleente n Lage (Grundrss) und Höhe (Aufrss) üblh. Daher beshäftgt sh deses aptel t notwendgen Shrtten zur Erstellung enes horzontal gelagerten rüungs- und Radenbldes der Glesahse Planäßge Spurerweterungen Spurerweterungen koen zu Bespel be Netz der Deutshen Bahn n urven zur Anwendung. (Begrffsklärung: sehe Abshntt., Spurerweterung) Be der Berlner U-Bahn wrd auf ene Spurerweterung verzhtet. (sehe Abshntt.) Daher seen an deser Stelle de orrekturen genannt, welhe auf Grund planäßger Spurerweterungen durhgeführt werden sollten: - orrektur der Spurwete Sw - orrektur der Bogenlänge L (auf der Sete des Messrades zur Bogenlängenessung) - orrektur des Radus R der Pfelhöhe h (auf der Sete des Messrades)

21 Messdaten-Vorverarbetung Redukton n ene Horzontalebene Zur Redukton des erttelten rüungs- und Radenverlaufes n ene Horzontalebene snd de folgenden geoetrshen orrekturen anzubrngen: - orrektur der Spurwete Sw - orrektur der Bogenlänge L (auf der Sete des Messrades zur Bogenlängenessung) - orrektur des Radus R der Pfelhöhe h (auf der Sete des Messrades) De Redukton n Längsrhtung des Gleses n ene Horzontalebene wäre nah Auswertung des vertkalen Glesverlaufes (nht Bestandtel der vorlegenden Arbet) zu ergänzen. Geoetrshe orrektur der Spurwete Sw und des Radus R der Pfelhöhe h Be typshen urvenüberhöhungen st der jewels kurvenäußere Glesstrang überhöht, u de auftretenden Flehkräfte telwese zu kopenseren. Daher st de geoetrshe Redukton n de Horzontalebene n der Regel an de kurvenäußeren Strang anzubrngen. De horzontale Spurwete Sw hor ergbt sh nah de Satz des Pythagoras we folgt: Sw hor = Sw ü Sw = Sw hor Sw (3.5) Sw... Redukton der Spurwete De Redukton Sw nt für alle Überhöhungen ü (außer ü = 0) en negatves Vorzehen an, was bedeutet, dass de Spurwete Sw n jede Fall verrngert wrd bzw. gleh blebt. Des st anhand folgender Skzze gut ershtlh. Abbldung 3.7: Geoetrshe orrektur der Spurwete (Redukton n Horzontalebene)

22 Messdaten-Vorverarbetung 0 Be ener urvenüberhöhung ü < 0 (üblh n Lnks-urven t R < 0) st der rehte Shenenstrang u den Betrag ü [] gegenüber de lnken überhöht. Deentsprehend uss de Lage des rehten Glesstranges korrgert werden. Des gesheht durh de orrektur der Spurwete Sw und gegebenenfalls des Radus R rehts. Dezufolge st be ener urvenüberhöhung ü > 0 (üblh n Rehts-urven t R > 0) der lnke Shenenstrang u den Betrag ü [] gegenüber de rehten überhöht. Daher wrd zur Redukton n de Horzontalebene der lnke Glesstrang lageäßg korrgert. Des erfolgt durh Redukton der Spurwete Sw und des Radus R lnks. R = R Sw R... horzontaler Radus R lnks _ hor lnks (3.6) lnks _ hor lnks Durh das Vorzehen des Radus R lnks < 0 und de orrektur Sw < 0 n Verbndung t de Subtraktonszehen ergbt sh ene betragsäßge Verklenerung des Radus R lnks des lnken Glesstranges. orrektur der Bogenlänge L aufgrund überhöhter Glesstränge Aufgrund der Messung der Bogenlänge a lnken Glesstrang (sehe Abshntt.3.3) st be ener Überhöhung ü des lnken Glesstranges auh de erttelte Bogenlänge dl zu korrgeren. Dese orrektur ds wrd n der Regel be durhfahrenen Rehtskurven angebraht (urvenüberhöhungen werden a kurvenäußeren Glesstrang ugesetzt). In Abshntten t Überhöhung des rehten Glesstranges (üblh n Lnkskurven) brauht dezufolge kene orrektur der Bogenlänge durhgeführt werden. dl ds = ( R Sw) lnks _ hor R lnks dl (3.7) dl = 0, 5 (sehe Abshntt.3.3) dl hor = dl + ds (3.8) dl hor... horzontale Bogenlänge dl

23 Messdaten-Vorverarbetung Abbldung 3.8: orrektur der Bogenlänge L aufgrund überhöhter Glesstränge De orrektur der Bogenlänge ds hat n jede Fall en negatves Vorzehen, was bedeutet, dass de Bogenlänge dl verkürzt wrd. Des st anhand Abbldung 3.8 anshaulh nahvollzehbar Erttlung der Glesahse orrektur des Radus R der Pfelhöhe auf de Glesahse De geessene, n de Horzontalebene reduzerte Spurwete Sw und der Radus der lnken Pfelhöhe R lnks werden genutzt, u den Radus der Glesahse R Ahse zu besten. R Ahse = R lnks _ hor Sw hor (3.9) Für Rehts-urven t R > 0 wrd der Betrag des Radus sot gernger. I Gegensatz dazu bewrkt n Lnks-urven t R < 0 das negatve Vorzehen ene Vergrößerung des Betrages des Radus R. Abbldung 3.9: Redukton der Bogenlänge dl und des Radus R der Pfelhöhe auf de Glesahse

24 Messdaten-Vorverarbetung Redukton der Bogenlänge dl auf de Glesahse Auf Grund der Messung der Bogenlänge L a lnken Glesstrang (sehe Abshntt.3.3) st de erttelte Bogenlänge dl auf de entsprehende Bogenlänge dl Ahse n Glestte zu korrgeren. dl Ahse dl = R hor R Ahse lnks _ hor (3.0) dl hor... horzontale Bogenlänge dl (sehe Abshntt 3.3.) dl Ahse... Bogenlänge auf der Glesahse ds Ahse = dl dl (3.) Ahse hor ds Ahse... orrektur der Bogenlänge auf de Glesahse De orrektur der Bogenlänge ds Ahse hat n Lnks-urven (R > 0) en postves Vorzehen, was ene Verlängerung der Bogenlänge bewrkt. In Rehts-urven (R < 0) st de orrektur ds Ahse t ene negatven Vorzehen behaftet, was ene ürzung der Bogenlänge dl zur Folge hat. Des st anhand der Skzze (Abbldung 3.9) anshaulh nahvollzehbar.

25 Eleentfndung 3 4 Eleentfndung 4. Planungsrhtlnen und -verordnungen 4.. BOStrab-Trasserungsrhtlnen Das Glesnetz der Berlner U-Bahn fällt n den Wrkungsbereh der bundesweten Verordnung für den Bau und Betreb der Straßenbahnen (Straßenbahn-Bau- und Betrebsordnung - BOStrab). De BOStrab wurde a..987 vo Bundesnsteru für Verkehr veröffentlht. Für de Trasserung der Glesstreken Wrkungsbereh der BOStrab wurden a , ebenfalls vo Bundesnsteru für Verkehr, de BOStrab- Trasserungsrhtlnen veröffentlht. In hnen werden zur Wahrung der Sherhet be Betreb von Straßenbahnen Regel- und Grenzwerte für Trasserungsparaeter festgelegt. 4.. RPT der Berlner U-Bahn De Rhtlnen für Planung und Trasserung der Berlner U-Bahn (RPT) wurden 970 vo Berlner Senat für Bau- und Wohnungswesen veröffentlht. Set de Ershenen der RPT wurden n der Glestrasserung der Berlner U-Bahn u.a. enhetlh folgende Trasserungseleente benutzt: - Gerade - Übergangsbogen (lothode, kubshe Parabel) - res Vor 970 wurden aufgrund der noh shleht entwkelten Rehnertehnk alternatv zu lothoden auh bquadratshe und kubshe Parabeln verwendet. De Rehenentwklungen zur Berehnung der lothoden waren daals zu rehenaufwendg. I heutgen Zetalter lestungsfähger Rehner st deses Proble sher ken Grund ehr für ene Verwendung von Parabeln als Alternatve zur lothode. De Velfalt der vor Erstellung der RPT verwendeten Trasserungseleente auf den Streken der Berlner U-Bahn stellt en Proble für de autoatserte Detekterung der Trasserungseleente dar. (sehe Abshntt 6) Daher wurden Rahen der vorlegenden Arbet Glesabshntte gewählt, de nah den Rhtlnen der RPT (nah 970) geplant und gebaut wurden.

26 Eleentfndung Fahrdynashe und wrtshaftlhe Rhtlnen Be desen Rhtlnen handelt es sh u Epfehlungen aus Gründen des Fahrkoforts und der Gernghaltung des Vershleßes an Gles und Rädern und ener hohen Resegeshwndgket. De Bestrebungen gehen weterhn dahn, de betrebswrtshaftlh nteressanten Energeverbrauhswerte zu neren und Fahrzeten zu verrngern. Zu dese Thea verwese h auf enshlägge Lteratur (z.b. [FIEDLER 999], [FÜRMETZ 985], [SIEGMANN 000]).

27 Eleentfndung 5 4. Trasserungseleente rüungs- und Radenbld Das Trasserungseleent Gerade ershent rüungsbld als Gerade t konstanter rüung = 0. resbögen werden rüungsbld als Gerade t der konstanten rüung = dargestellt. R De lothode nt de Funkton als Übergangsbogen zwshen Eleenten untershedlher rüung en. Es wrd en öglhst stetger Verlauf der rüung (Veredung von Sprungstellen rüungsverlauf) angestrebt. Deser wrkt sh postv auf den Fahrkofort, den Vershleß und de Betrebssherhet der Shenenfahrzeuge aus. De lothode wrd rüungsbld als Gerade t lneare Ansteg 0 abgebldet. Abbldung 4.: Trasserungseleente rüungsbld Abbldung 4.: Trasserungseleente Radenbld Untershedung der Trasserungseleente rüungsbld: Gerade: konstante rüung ( = 0 ) res: konstante rüung ( 0) lothode: stetg lnear ändernde rüung ( A = R L bzw. A = L/ ) Der lothodenparaeter A stellt enen Maßstabsfaktor auf de Längenaße L und R der Enhetsklothode L R = dar.

28 Eleentfndung 6 Das Radenbld hat sene egentlhe Bedeutung Bereh von resbögen. En resbogen wrd Radenbld als Gerade t konstante Radus R 0 abgebldet. De Abbldung von lothoden und Geraden Radenbld st auf Grund des rezproken Verhältnsses = stark verzerrt und für de Eleentdetekterung nht verwendbar. R An den folgenden Abbldungen st der Vortel der Detekterung der resbögen Radenbld gut zu erkennen. De rezproke Funkton / (Radenbld) verhält sh deutlh aggressver als der rüungsverlauf (rüungsbld) n den Untersheden zwshen Geraden und resbögen. De Relaton zwshen überlagerter Shwngungsapltude (aptel 4.3) und Darstellung des resbogens untershedet sh daher stark rüungs- und Radenbld. Während sh rüungsbld der resbogen t de Radus R 00 kau von der Shwngungsapltude der überlagerten Egenshwngung abhebt, st Radenbld en deutlh trennbarer Untershed zu erkennen. Abbldung 4.3: Verhältns Egenshwngung / resbogen rüungsbld Abbldung 4.4: Verhältns Egenshwngung / resbogen Radenbld In de gewählten Bespel für resbögen t Raden von R 00 und R 400 beträgt de Relaton zwshen Egenshwngung und resbogen a. % bzw. 3 % rüungsbld und a. % bzw. 3 % Radenbld. Dese Egenshaft prädestnert das Radenbld zur Verwendung zur resbogendetekterung.

29 Eleentfndung Egenshwngung des Messwagens 4.3. Ursahe der Egenshwngung Charakterstshes Merkal für das Verkehrssyste Shene st de Spurführung. En Rad enes Shenenfahrzeuges besteht laut [FIEDLER 999] aus de Laufkranz und de Spurkranz, ene längs u den Laufkranz angeordneten Wulst. Zwe Räder blden t der se verbndenden Ahse den Radsatz. De zwshen den Shenen laufenden Spurkränze enes Radsatzes bewrken de Spurführung des Fahrzeuges. Abbldung 4.: Radsatz (t konsher Laufflähe) Zur Veredung von Zwängen zwshen den Spurkränzen und Shenen bedarf es generell enes Spurspels, welhes z.b. be Hauptglesen der Deutshen Bahn geäß 5 Esenbahn-Bau- und Betrebsordnung (EBO) axal 30 betragen darf. De zwangsfree Bewegung des Radsatzes uss nah [RPT 970] auh n nalen resbogenraden von 80 auf Hauptglesen bzw. 00 auf Nebenglesen gewährlestet sen. Innerhalb des Spurspels können sh de Radsätze quer zur Glesahse versheben. De be der Berlner U-Bahn verwendeten Radsätze t Rädern zylndrsh geforter Laufflähen bewegen sh auf von der Gleslängsahse abwehenden Geraden. ot es zur Berührung enes Spurkranzes t de Shenenkopf, drängt de Shenenrhtkraft den führenden Radsatz aus sener bshergen Rollrhtung. Deser polygonale Verlauf zwshen den Glessträngen be urvendurhfahrt führt zu de zakgen, unrunden Ershenungsbld der überlagerten Egenshwngung des Messwagens rüungsbld. (sehe Abbldung 4.3)

30 Eleentfndung 8 Ene etwas andere Bewegung vollführen de Radsätze der DB AG. Dese Radsätze t Rädern konsh geforter Laufflähen beshreben ene wellenförge Bahn u de Gleslängsahse. Des wrd auh als Snuslauf bezehnet. (sehe [FIEDLER 999] ) Abbldung 4.: Egenshwngung des Messwagens (t konshen Laufflähen) 4.3. Bestung der Apltude der überlagerten Egenshwngung Zur autoatserten Detekterung der Trasserungsparaeter uss en rteru gefunden werden, u lokale Shwngungen von Ershenungen enes Trasserungseleentes rüungsbld zu untersheden. En Untershedungskrteru stellt de Frequenz f der Shwngung n Abhänggket von der Bogenlänge L dar. So kann de überlagerte Shwngung (hohe Frequenzen f ) von den Trasserungseleenten (nedrge Frequenzen f ) getrennt werden. Abbldung 4.3: Egenshwngung des Messwagens (t zylndrshen Laufflähen)

31 Eleentfndung 9 De Shwngungsdauer T = lefert en relatv enfahes Untershedungskrteru. f Wogegen de üblhe Shwngungsdauer T ener Folge von Trasserungseleenten auf den Streken der Berlner U-Bahn ndestens a. 80 bs 90 beträgt (sehe Abshntt 4.4.), west de überlagerte Egenshwngung ene wetaus kürzere Shwngungsdauer T zwshen a. 5 und auf. De Shwngungsdauer T und de Apltude A der Egenshwngung vareren dabe relatv stark (unharonshe Shwngung), was den Ensatz von Fltertehnken ershwert bzw. nur t Inforatonsverlust zulässt. (sehe [RETSCHER 996] ) Abbldung 4.4 unharonshe Egenshwngung des Messwagens Zur Untershedung ener lokalen Shwngung von ene Trasserungseleent st de Bestung der Apltude A der Egenshwngung des Messwagens nötg. De Shwngungsdauer T ener Eleentenfolge bzw. de Eleentenndestlängen L n snd n Trasserungsrhtlnen [BOStrab 993] und [RPT 970] festgelegt. (sehe Abshntt 4.4.) Durh Festlegung ener wetgestekten Toleranz (z.b. R=50) zur Detekterung von resbögen (sehe Abshntt 4.) st es öglh, resbögen (t konstante Radus) relatv unabhängg von der Apltude der überlagerten Egenshwngung Radenbld zu detekteren. In den detekterten Berehen (t ener Mndestlänge ab a. 0 ) wrd rüungsbld de überlagerte Egenshwngung Egenshwngung enes Datensatzes bestt. Befnden sh nht genügend lange resbögen auf de Glesabshntt, so dass de autoatshe Bestung der Apltude der Egenshwngung nht gelngt, st über de Steuerdate der Software 'ralsoft.0' ebenfalls ene anuelle Festlegung der Apltude Egenshwngung öglh.

32 Eleentfndung 30 De Apltude A der Egenshwngung beenflusst das Auflösungsverögen des Erkennungsalgorthus. Es snd nur von Geraden abwehende Trasseneleente detekterbar, de ene größere Apltude rüungsbld aufwesen als de Apltude der überlagerten Egenshwngung. A Eleent > A Egenshwngung bzw. Eleent > Egenshwngung Des führt zu Trennshärfe-rteru des Erkennungsalgorthus: R ax > Egenshwngung (4.) R ax... axaler Radus R der zu detekterenden Trasseneleente Sot ergbt sh der axal detekterbare urvenradus aus: R ax < Egenshwngung (4.) Ene öglhst große Dfferenz zwshen Apltude der Egenshwngung und klenster zu detekterender rüung des axalen resbogens ( / R ax ) begünstgt de shere Erkennung aller vorhandenen Trasserungseleente. In den Messdaten des Plasser & Theurer EM 80 der Berlner BVG von Streken der Berlner U-Bahn wurden de Apltuden der überlagerten Egenshwngung relatv konstant t Egenshwngung 0,0003 [/] bestt. Des bedeutet nah Forel (4.) en ungefähres Auflösungsverögen von Trasserungseleenten t R < Durh Glättung* ttels enes gletendenden Mttelwertflters (sehe Abshntt 4.4.4) kann de Erkennungsgrenze der Trasseneleente-Roherkennung nohals leht vershoben werden. Nah Glättung wurden relatv konstant de Apltuden der überlagerten Egenshwngung t Egenshwngung 0,0005 [/] erttelt. Des bedeutet en ungefähres Auflösungsverögen von Trasserungseleenten t R < In Datensätzen der DB Netz AG der Oberbauesswagenenhet (OMWE) auf der ICE-Streke Berln - Hannover wurden axale Shwngungsapltuden von Egenshwngung 0, [/] erttelt. Des entsprht ene Auflösungsverögen von Trasserungseleenten t R < *Beerkung: Es se darauf hngewesen, dass der Ensatz von Fltertehnken ausshleßlh für de Eleenten-Roherkennung epfohlen wrd.

33 Eleentfndung 3 Apltude Egenshwngung und Eleentenndestlänge L n stellen de Grundlage des verwendeten Erkennungsalgorthus zur Detekterung der Trasserungseleente des untersuhten Glesabshnttes dar. 4.4 Trasseneleente-Roherkennung 4.4. Anwendung enes Dfferenzenflters De Anwendung enes Dfferenzenflters (. Abletung der rüung nah der Bogenlänge L) lefert theoretsh en gutes rteru zur Detekterung von lothoden. De Übergangsbögen würden her als anstegende (bzw. fallende) Geraden t ene Ansteg 0 ershenen. Geraden und resbögen t hre konstanten rüungsverhalten ergeben dagegen ene Gerade ( = 0 ) auf der Null-Ahse. = - - =, 3.. n (4.3) Durh das Enwrken der telwese großen überlagerten Egenshwngung zegte sh de Anwendung enes Dfferenzenflters zur Eleenterkennung als nht snnvoll. Auh der Versuh ener Glättung ttels ener Bass von 5-0 führte nht zu gewünshten klaren Untershedungsgrad der Eleente. Ähnlhe Effekte snd be Wnkelbld zu erwarten. Abbldung 4.5: Ergebns nah Anwendung enes Dfferenzenflters Abbldung 4.6: Ergebns nah Anwendung enes Dfferenzenflters (Bass 5 )

34 Eleentfndung Eleenten-Mndestlängen Eleentenndestlängen snd nah [BOStrab 993] und [RPT 970] für de Eleente Gerade und Übergangsbogen (lothode) vorgeshreben. Gerade De Mndestlänge ener Geraden n l g zwshen zwe entgegengerhteten Übergangsbögen beträgt nah [BOStrab 993] und [RPT 970]: ve [ k / h] n l g [ ] = (4.4) v e... Entwurfsgeshwndgket n [k/h] 0 Snd der Endpunkt des ersten Übergangsbogens und der Anfangspunkt des entgegengerhteten Übergangsbogens dentsh, st kene Zwshengerade enzuführen. Nah [BOStrab 993] st für (straßen)unabhängge Bahnkörper ene Entwurfsgeshwndgket v e = 70 k/h anzunehen. önnen Grenzwerte für Trasserungsparaeter t der Entwurfsgeshwndgket v e nht engehalten werden, so st für desen Glesabshntt ene gerngere zulässge Geshwndgket zul v festzulegen. Des bedeutet, de Geradenndestlänge l g kann Verlaufe enes Gleses varabel sen. Se beträgt n der Regel l g = 7. lothode De Mndestlänge enes Übergangsbogens (lothode) n l u beträgt nah [BOStrab 993]: n l u ve [ k / h] aq [ / s ] [ ] = (4.5),4 t v [ k / h] ü[ ] / s ] =,8 v [ k / h] n ü[ ] = 3,6 R[ ] 53 R[ ] 50 a q [ De Querbeshleungung a q resultert aus der Wrkung der Flehkraft n urven. Se st abhängg von der rüung des Bogens ( = /R ), der Fahrgeshwndgket v und der Überhöhung ü des Gleses. Laut [BOStrab 993] wrd Regelfall der Trasserung ene leht postve Querbeshleungung von a. a q = 0, /s angestrebt. Der Grenzwert beträgt a q = 0,98 /s. De bautehnsh nal uzusetzende Überhöhung beträgt nah [RPT 970] n ü = 0. De axale Überhöhung st n [BOStrab 993] t ax ü = 65 und n [RPT 970] bndend für de Berlner U-Bahn t ax ü = 50 festgelegt.

35 Eleentfndung 33 In [RPT 970] st für de Mndestlänge enes Übergangsbogens (lothode) n l u ken Grenzwert festgelegt. Es wrd epfohlen: n l u [ ] = ü[ ] 0v [ k / h] (4.6) e,8 v [ k / h] t n ü[ ] = 90 R[ ] Mt ener Entwurfsgeshwndgket von v e = 70 k/h und der bautehnsh bedngten Mndestüberhöhung ergbt sh sot n der Regel ene Mndestlänge für lothoden von l u = 4. We berets zur Erttlung der Geradenndestlänge erwähnt, kann n Glesabshntten, auf denen de Entwurfsgeshwndgket v e nht engehalten werden kann, ene gerngere zulässge Geshwndgket zul v festgelegt werden. Des führt ebenfalls zu ener varerenden lothodenndestlänge l u Verlaufe enes Gleses. Usetzung n der Software 'ralsoft.0' Es st zu erkennen, dass de Mndestlänge ener Geraden l g zwshen entgegengerhteten resbögen de kürzeste zu detekterende Eleentenlänge auf den Streken der Berlner U-Bahn darstellt. Daher wrd l g als Mndesteleentenlänge L n n der Software 'ralsoft.0' für alle Eleenttypen verwendet. De Mndesteleentenlänge L n verhält sh we berets erwähnt varabel Strekenverlauf, auf Grund von Änderungen der zulässgen Geshwndgket zul v n enzelnen Strekenabshntten (Langsafahrstellen) Entwklung von Eleente-rteren Nah den BOStrab-Trasserungsrhtlnen [BOStrab 993] wrd epfohlen, als For des Übergangsbogens bevorzugt de fahrdynash günstge lothode anzuwenden. Auf Grund großer Wnkeländerungen (extre klene urvenraden bs zu 80 ) werden nah [SIEGMANN 000] berets set den 930er-Jahren lothoden be Bau der Berlner U-Bahn verwendet. Daher wrd nnerhalb der vorlegenden Arbet und der Software 'ralsoft.0' von den Trasserungseleenten Gerade, lothode und res ausgegangen. Ene Erweterung u wetere Eleent-Typen we kubshe Parabel, Blosskurve oder Snusode st denkbar. Das Datenodell st daher sehr unversell angelegt. Jedes Trasserungseleent wrd t den Objektegenshaften: Eleent-Typ, Bogenlänge Eleentanfang, Bogenlänge Eleentende, Anfangs- und Endkrüung abgelegt, so dass wetere Übergangsbögen zwshen Gerade und res belebg Nahhnen enbezogen

36 Eleentfndung 34 werden können. Herzu st ledglh das Enfügen ener Funkton zur Dfferenzerung der Übergangseleente n de Software 'ralsoft.0' notwendg. Dese üsste Anshluss an de Erkennung der Geraden- und resbogenabshntte nvolvert werden. (sehe Abshntt 4.4.5) Nah den Egenshaften der Eleente (sehe Abshntt 4.) ergeben sh folgende Eleente-rteren: Eleent-Typ Forderung Usetzung Gerade = onst. = 0 l g n l g - - < Egenshwngung Egenshwngung l G L n res R = onst. = onst. 0 R - - R < R Egenshwngung - - < Egenshwngung Egenshwngung < l R L n lothode A = R L u = onst. l u n l u R -,H L -,H - R -, L -, ε ( t L H = l U L n L + L ) (sehe Abbldung 4.7) De zulässge Dfferenz ε für den lothodenparaeter A be der lothoden-detekterung st n Abhänggket von der Größenordnung der Apltude der überlagerten Egenshwngung festzulegen. En relatv wetgestektes rteru von z.b. ε = 00 hat zur Folge, dass auh relatv stark von ener überlagerten Egenshwngung beenflusste lothoden rüungsbld detektert werden können. In de Berlner U-Bahn-Netz werden nah [BOStrab 993] und [RPT 970] weder Blosskurven noh Spurerweterungen n urven, we etwa be Hohgeshwndgketsstreken der Deutshen Bahn üblh, zur Trasserung verwendet. Des st auf Grund der gerngen Entwurfsgeshwndgket t v e = 70 k/h und der Verwendung von Drehgestellen (vgl. aptel.) nht notwendg und zu aufwendg n der praktshen Realserung.

37 Eleentfndung Glättungsflter Glättungsflter (Tefpassflter) denen vor alle der Mnderung des Messwertraushens, das z.b. durh de n Abshntt 4.3 beshrebene Bewegung des Messwagens Gles und de Messgenaugket entstehen kann. I Rahen der vorlegenden Arbet wurde en lneares Flterverfahren nah der Methode 'Gletender Mttelwert' verwendet. ( sehe [LUHMANN 000] ) Dabe kann über de Bass b (Anzahl der n de Mttelwertbldung enbezogenen Messwerte) de Denson [;b] der Glättungsatrx und sot der Grad der Glättung beenflusst werden. Der Glättungseffekt stegt t zunehender Fltergröße und führt Extrefall zu Versheren der Trasserungseleente. De folgende Glättungsatrx wrd über den rüungsverlauf, welher als endensonale Matrx aufgefasst werden kann, geshoben. b, = b b b b b [... ] =... (4.7) Daraus folgt: ( ) = und b R = (4.8) (4.9) a) b) ) d) Abbldung 4.6: Wrkungswese enes Mttelwertflters t ener Bass von a) L n b) L n ) 5 L n d) 0 L n t L n = 7

38 Eleentfndung 36 Mt Wahl der Bass von b = L n wrd enersets en guter Glättungseffekt erzelt und anderersets shergestellt, dass ken Eleent durh den Fltervorgang 'vershlukt' wrd. Zu epfehlen wäre de versuhswese Verwendung enes aufwendgeren Glättungsflters we z.b. de n [RETSCHER 996] untersuhten alan- und Wener Flterverfahren, u den Enfluss der Egenshwngungsershenungen auf de Roherkennung gerng zu halten. Auf Grund der varerenden Apltude der überlagerten Egenshwngung A Egenshwngung und der varerenden Shwngungsdauer T Egenshwngung verfälsht en auf ene Frequenz engestelltes Flterverfahren de noralvertelten Messwerte systeatsh. Dese Beenflussung durh Fltervorgänge wrd t der Verwendung der noralvertelten ungeflterten Messgrößen (rüungen) zur Bestung der Trasserungsparaeter (sehe Abshntt 5.) vereden Vorgehen zur Roherkennung L n Der rüungsverlauf wrd sukzessve t ener Shrttwete von unter 5 Verwendung der Eleente-rteren (Abshntt 4.4.3) abgetastet. So wrd gewährlestet, dass jedes Trasserungseleent an ndestens 4 Punkten angetastet und der rehentehnshe Aufwand (Prozesserzet) begrenzt wrd. Nah de Nyquest-Theore* snd zur Erkennung enes Eleentes ndestens Abtastpunkte notwendg. Herbe st zu beahten, dass de Eleentenndestlänge L n und sot auh de Abtastshrttwete Verlaufe von Glesabshntten t untershedlhen zulässgen Fahrgeshwndgketen varert. (sehe Abshntt 4.4.) Als Engangswerte für de Eleente-rteren von Gerade und resbogen (Abshntt 4.4.) fungeren jewels en Mttelwert ( - bzw. R - ) aus j Abtastntervallen und en enzelner Abtastwert ( bzw. R ) Abstand der Abtastshrttwete. Startwert für jedes rteru st j = 5 (Eleentenndestlänge). Das lothodenkrteru st nht erfüllt, wenn a Übergang der lothode zu folgenden resbogen das reskrteru berets erfüllt st. *Das Nyquest-Theore besagt, de Abtastfrequenz öge ndestens doppelt so groß sen we de höhste abzutastende Frequenz.

39 Eleentfndung 37 Abbldung 4.7: Engangswerte für Eleente-rteren zur Roherkennung von a) Gerade, resbogen b) lothode Ist nnerhalb des Berehes der j Abtastntervalle enes der Eleentekrteren erfüllt, wrd das untersuhte Intervall so lange erwetert, bs das rteru nht ehr erfüllt wrd. Beträgt de Bogenlänge L des Berehes n de en rteru erfüllt st Werte größer der Eleentenndestlänge L n, wrd das Eleent als Objekt t den Egenshaften 'Eleent-Typ', 'Anfangsbogenlänge', 'Endbogenlänge', 'Anfangskrüung' und 'Endkrüung' Arbetsspeher des Rehners abgelegt. I Ergebns der Roherkennung der Trasserungseleente st de Glesgeoetre n den Testdatensätzen est auf über 90 % des Glesabshnttes berets korrekt erkannt. lenere Fehldeutungen werden folgenden Abshntt der Nahberetung der Trasseneleente-Roherkennung behandelt. Abbldung 4.8: Ergebns der Eleent-Roherkennung

40 Eleentfndung Nahberetung der Trasseneleente-Roherkennung Enen wesentlhen Bestandtel der Eleenterkennung stellt de Nahberetung der Ersterkennung dar. In deser werden aus de Wssen über Abfolge der Eleente Fehldetekterungen erkannt und wetestgehend besetgt. Fehl-Erkennungen resulteren häufg aus ene ungünstgen Verhältns der Eleentenndestlänge zur Messwagenlänge sowe aus falsher bzw. ungenauer Shätzung oder Erttlung der Apltude der Egenshwngung. Der Antel fehlerkannter Abshntte beträgt n den Testdatensätzen est unter 0 %. Auf Grund der Verwendung sehr kurzer Trasserungseleente be U-Bahnen (sehe Abshntt 4.4.) kot de Verhältns der Länge des Messwagens bzw. der Pfelhöhenbass zur Eleentenndestlänge der verwendeten Trasserungseleente ene große Bedeutung zu. Anhand der spezellen Stuaton der Berlner U-Bahn st es theoretsh öglh, dass sh jede der 3 Messahsen (Bass der Pfelhöhenessung 0 ) über ene anderen Trasserungseleent (Eleentenndestlänge 7 ) befndet. Des führt zu unerwünshten Verfälshungen des rüungsverlaufes und sot auh zu Fehldetekterungen be Vorwärtsfahrt des Messwagens n Berehen - 6 (Abstand zwshen Ahse und Ahse 3) und + 4 (Abstand zwshen Ahse und Ahse ) von Eleentübergängen. Dese Fehldeutungen üssen be der Nahberetung autoatsert erkannt und korrgert werden. Des Weteren wrd de Abfolge der erkannten Trasseneleente dahngehend geprüft, ob ene üblhe Anordnung von Übergangsbögen (lothoden) zwshen resbögen und Geraden vorlegt. Des st n den Testdatensätzen auf über 99 % der Gesatstreke der Fall. Trfft des nht zu, z.b. durh Nhterkennung enes Eleentes auf Grund ener größeren lokalen Störershenung, wrd de Eleentenabfolge dorthngehend ergänzt bzw. korrgert. I Falle ener Wendeklothode wrd als Bedngung für de Endkrüung der ersten lothode E und de Anfangskrüung der zweten lothode A engeführt: + E A = = + 0