DE4419355A1 - Verfahren zur Detektion von Straßen- und Schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Straßen- und Schienenfahrzeugen sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.

Es ist bekannt, in den Belag von Fahrbahnen Induktions­ schleifen einzubauen, so daß beim Überfahren dieser In­ duktionsschleifen durch Fahrzeuge eine Induktionsspan­ nung dieser Schleife induziert wird, so daß durch deren Auswertung eine Detektion der einzelnen, die Indukti­ onsschleife überfahrenden Fahrzeuge möglich ist.

Solche Induktionsschleifen sind teuer bzgl. den Kosten für den Einbau in den Straßenbelag. Ein weiterer Nach­ teil besteht darin, daß diese bekannten Induktions­ schleifen eine geringe Lebensdauer aufweisen, die le­ diglich im Bereich von drei bis vier Jahren liegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Detektion von Straßen- und Schienenfahrzeugen anzugeben, das gegenüber der Verwen­ dung von Induktionsschleifen kostengünstiger durchführ­ bar ist. Zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Ver­ fahrens soll ferner eine Vorrichtung angegeben werden, deren Lebensdauer im Vergleich zu derjenigen einer In­ duktionsschleife wesentlich höher ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen magneto­ resistiven Sensor, der im Bereich der Fahrbahn bzw. im Bereich der für Schienenfahrzeuge vorgesehenen Schie­ nenstränge angeordnet wird. Durch die Bewegung der Fahrzeuge im Bereich des magnetoresistiven Sensors wird das Erdmagnetfeld gestört, wobei diese Störung von dem magnetoresistiven Sensor detektiert wird. Das von einem Fahrzeug ausgelöste Sensorsignal wird schließlich einer Auswertung unterzogen.

Vorzugsweise kann ein solcher magnetoresistiver Sensor in die Fahrbahn versenkt werden. Ferner ist es auch möglich den Sensor neben oder über der Fahrbahn bzw. der Schienenstränge anzuordnen.

Ein magnetoresistiver Sensor stellt einen Magnetfeld­ sensor dar, bei dem die magnetische Feldstärke wirksam ist. Diese magnetoresistiven Sensoren haben inzwischen einen hohen Entwicklungsstand erreicht, der sich durch höchste Zuverlässigkeit und höchste Genauigkeit bei ex­ tremen Umgebungsbedingungen auszeichnet, bei gleichzei­ tig kleinen Abmessungen des Sensors und niedrigem Preis.

Magnetoresistive Sensoren lassen sich mittels Metall- Dünnfilmtechnik kostengünstig herstellen, wobei bei­ spielsweise als Material Permalloy, das eine Legierung aus etwa 80% Nickel und 20% Eisen ist, verwendet wird. In der Regel enthält der Sensor eine Vollbrücken­ schaltung aus vier magnetoresistiven Widerstandselemen­ ten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zur Bestimmung von kinematischen Größen, bei­ spielsweise der Geschwindigkeit der Fahrzeuge, neben einem ersten magnetoresistiven Sensor ein zweiter ma­ gnetoresistiver Sensor zur Bildung eines magnetoresi­ stiven Sensorsystems vorgesehen werden. Dabei sind die beiden magnetoresistiven Sensoren beabstandet voneinan­ der so angeordnet, daß deren Verbindungsleitung in Be­ wegungsrichtung der Fahrzeuge zeigt.

Da auf einer Fahrbahn in der Regel mehrere Fahrspuren vorhanden sind, kann für jede Fahrspur ein magnetoresi­ stiver Sensor bzw. ein magnetoresistives System vorge­ sehen werden. Daneben erlaubt die hohe Empfindlichkeit der magnetoresistiven Sensoren, daß ein magnetoresisti­ ver Sensor nicht nur die ihm zugeordnete Fahrspur über­ wacht, sondern auch die an diese Fahrspur direkt an­ grenzenden Fahrspuren. So kann mittels eines magnetore­ sistiven Sensors bzw. eines magnetoresistiven Systems nicht nur die ihm zugeordnete Fahrspur, sondern auch die an diese Fahrspur angrenzenden Seitenspuren detek­ tiert werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält neben dem eigentlichen magnetoresi­ stiven Sensor, der als Brückenschaltung aus vier magne­ toresistiven Widerständen aufgebaut ist, einen der Brückenschaltung nachgeschalteten Signalverstärker. Als Ausgang kann ein PWM (Pulsweitenmodulation)-Wandler nachgeschaltet werden, der das Ausgangssignal des Si­ gnalverstärkers in ein PWM-Signal wandelt. Das PWM-Si­ gnal oder andere mögliche Signale werden schließlich der Auswerteeinheit zugeführt, die dann die Auswertung dieses Signales vornimmt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Selbsttesteinheit vor, die mit­ tels eines Referenzsignal-Erzeugers ein Referenzsignal erzeugt, so daß mittels der Auswerteeinheit eine zen­ trale Fehldiagnose durchführbar ist. Vorzugsweise wird als Referenzsignal-Erzeuger eine Luftspule verwendet, die in unmittelbarer Nähe der magnetoresistiven Wider­ stände des Sensors angeordnet ist.

Für den Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Fahrbahnbelag bzw. in den Untergrund der Schienensträn­ ge ist ein Außengehäuse vorgesehen, das ein herausnehm­ bares Innengehäuse aufnimmt. Dieses Innengehäuse ent­ hält die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem magneto­ resistiven Sensor. Schließlich sind Mittel, beispiels­ weise Abdeckklappen vorgesehen, die von der Oberfläche der Fahrbahn bzw. des Unterbaues aus das Außengehäuse abnehmbar verschließen. Dadurch ist eine schnelle Aus­ wechselbarkeit einer defekten Vorrichtung möglich.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zei­ gen:

Fig. 1 die Installation eines magnetoresistiven Sy­ stems in einer Fahrbahn gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung, bei der ein magnetoresisti­ ver Sensor in einem Gleisunterbau angeordnet ist,

Fig. 3 ein Funktionsschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens,

Fig. 4 einen prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 5 eine Fahrbahn mit einem magnetoresistiven Sy­ stem gemäß der Erfindung sowie im Vergleich dazu zwei Induktionsschleifen und deren für den Einbau erforderlichen Schnittlängen und

Fig. 6 eine Fahrbahn mit drei Fahrspuren und der An­ ordnung entsprechender magnetoresistiver Sy­ steme.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Fahrbahn 3, bestehend aus einem Fahrbahnbelag 3a und dem unter die­ sem Belag 3a beginnenden Untergrund 3b. Ausgehend von der Oberfläche 3c des Fahrbahnbelages 3a sind zwei ma­ gnetoresistive Sensoren 2a und 2b in einem Gehäuse un­ tergebracht, das bis in den Untergrund 3b reicht. Diese beiden magnetoresistiven Sensoren 2a und 2b sind über eine Leitung 7a verbunden und bilden ein magnetoresi­ stives System, so daß kinematische Größen eines die beiden Sensoren 2a und 2b überfahrenden Fahrzeuges 1 aus den Sensorsignalen abgeleitet werden kann. Diese von den beiden Sensoren 2a und 2b gelieferten Sensorsi­ gnale werden über eine weitere Leitung 7 einer Auswer­ teeinheit 5 zugeführt. Dort können die Sensorsignale ausgewertet werden und beispielsweise zur Steuerung ei­ ner Ampelanlage 6 verwendet werden.

Der Einsatz eines magnetoresistiven Sensors zur Erfas­ sung von Schienenfahrzeugen 1.1 zeigt die Fig. 2, wo im Gleisunterbau von Schienensträngen 4 ein magnetore­ sistiver Sensor 2 eingebaut ist, der über eine Leitung 7 mit einer Auswerteeinheit 5 verbunden ist. Diese Aus­ werteeinheit 5 kann sich beispielsweise in einem zen­ tralen Stellwerk eines Bahnhofs befinden. Wenn dieser magnetoresistive Sensor 2 von einem Schienenfahrzeug 1.1 überfahren wird, werden entsprechende Sensorsignale zur Auswertung über die Leitung 7 an die Auswerteein­ heit 5 gesendet. Das Ergebnis der Auswertung kann dann zur Signalsteuerung verwendet werden. Es können auch entsprechend Fig. 1 zwei Sensoren in den Gleisunterbau eingebaut werden, die ein magnetoresistives System bil­ den. Damit können auch das Schienenfahrzeug betreffende kinematische Größen, wie beispielsweise Geschwindig­ keit, erfaßt werden.

Die Empfindlichkeit der zur Detektion von Straßen- und Schienenfahrzeugen gemäß den Fig. 1 und 2 eingesetz­ ten magnetoresistiven Sensoren erlaubt auch über die Auswertung der Sensorsignale eine Bestimmung der Art der die Sensoren überfahrenden Fahrzeuge. So kann an­ hand des Sensorsignales festgestellt werden, ob dieses Signal von einem motorisierten Zweirad, einem PKW, ei­ nem LKW oder sogar von einem schweren Militärfahrzeug, beispielsweise einem Panzer, ausgelöst wurde. Es läßt sich sogar feststellen, ob diese Fahrzeuge mit einem Anhänger ausgerüstet sind. Entsprechend kann anhand des Sensorsignales, das von einem magnetoresistiven Sensor 2 gemäß Fig. 2 erzeugt wurde, festgestellt werden, von welcher Art das den Sensor überfahrenden Schienenfahr­ zeuges ist und ggf. aus wieviel Wagen dieses Fahrzeug besteht.

Das Blockschaltbild nach Fig. 3 zeigt die Funktions­ gruppen eines magnetoresistiven Sensors sowie eine Schnittstelle zur Auswerteeinheit 5, die über eine Lei­ tung 7 mit dem magnetoresistiven Sensor verbunden ist.

Der magnetoresistive Sensor 2 besteht aus dem eigentli­ chen Sensorelement 2a, das in der Regel als Vollbrük­ kenschaltung aus vier magnetoresistiven Widerstandsele­ menten aufgebaut ist. Die Diagonalspannung der Brücken­ schaltung des Sensorelementes 2a wird von einem Signal­ verstärker 2b verstärkt und einem PWM-Wandler zuge­ führt, der aus dem verstärkten Brückensignal ein PWM- Signal erzeugt. Dieses PWM-Signal wird über die Leitung 7 zur Auswertung mittels eines Mikroprozessors 5a der Auswerteeinheit 5 zugeführt. Die Betriebsspannung für den Sensor 2 wird ebenfalls über die Leitung 7 zuge­ führt und von einer Energiequelle 5b zur Verfügung ge­ stellt.

Schließlich enthält der magnetoresistive Sensor 2 auch eine Selbsttesteinheit 2d, die mittels eines Referenz­ signal-Erzeugers 2e für das Sensorelement 2a ein Refe­ renzsignal erzeugt, um hierdurch die Funktionsfähigkeit des Sensors zu überprüfen. Der Referenzsignal-Erzeuger 2e besteht in der Regel aus einer Luftspule. Die Initi­ alisierung dieser Selbsttesteinheit 2d erfolgt eben­ falls über die Leitung 7 mittels einer Einheit 5c, die ebenfalls in der Auswerteeinheit 5 vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt im Prinzip den hardwaremäßigen Aufbau ei­ nes magnetoresistiven Sensors. Die in Fig. 3 erläuter­ ten Funktionsgruppen des Sensors 2 sind als Hybrid 2f realisiert, der in ein Innengehäuse 9 eingebracht ist und dort vollständig von einer Vergußmasse 11 umgeben ist.

Dieses Innengehäuse 9 wird herausnehmbar von einem Au­ ßengehäuse 10 aufgenommen, wobei dieses Außengehäuse 10 fest in den Straßenbelag 3a bzw. in den Untergrund 3b eingebaut ist. Ein Verbindungselement 8 stellt die Ver­ bindung zwischen dem Hybrid 2f und der Leitung 7 her.

Das Außengehäuse 10 ist in der Fahrbahn so eingebaut, daß das im oberen Teil des Hybrids 2f sich befindende Sensorelement 2a im Bereich der Oberfläche 3c des Fahr­ bahnbelages 3a befindet. In diesem Bereich befindet sich ein leicht zu öffnendes Abschlußteil 12, so daß nach einer Feststellung eines defekten Sensors dieses Abschlußteil 12 leicht entfernbar ist und dann ein Aus­ tausch des Innengehäuses 9 leicht und schnell vorgenom­ men werden kann.

Fig. 5 zeigt die für den Einbau eines aus den Sensoren 2a und 2b bestehenden magnetoresistiven Systems erfor­ derliche Fläche im Vergleich zu derjenigen bei Einsatz von zwei Induktionsschleifen 13a und 13b. In Bewegungs­ richtung beträgt der Abstand der beiden magnetoresisti­ ven Sensoren 2a und 2b lediglich 3,5 m, während die beiden Induktionsschleifen 13a und 13b eine Schnittlän­ ge von 15 m erfordern. Senkrecht zur Bewegungsrichtung liegen zugunsten der Induktionsschleifen ähnliche Verhältnisse vor, wie die Fig. 5 deutlich zeigt.

Die Fig. 6 zeigt eine Fahrbahn mit drei Fahrspuren 3d, 3e und 3f. Jeder dieser Fahrspuren 3d bis 3f ist je­ weils ein magnetoresistives System zugeordnet, beste­ hend aus den Sensoren 20a und 20b, 21a und 21b bzw. 22a und 22b. Die Sensoren 20a, 21a und 22a sind über eine Leitung 7 mit einer Auswerteeinheit 5 verbunden.

Da die marktüblichen magnetoresistiven Sensoren eine große Empfindlichkeit aufweisen, können die drei Fahr­ spuren 3d bis 3f gemäß Fig. 6 auch lediglich von dem aus den beiden Sensoren 21a und 21b bestehenden magne­ toresistiven System überwacht werden, wobei jedoch Ein­ schränkungen in der Zuordnung der Fahrzeuggruppen ge­ macht werden müssen.

Die Erfindung ist nicht nur auf die Anordnung der ma­ gnetoresistiven Sensoren im Untergrund der Fahrbahnen bzw. in Gleiskörper der Schienenstränge gemäß den Figuren beschränkt, sondern umfaßt auch eine Installation, beispielsweise an Masten neben oder über der Fahrbahn bzw. dem Schienenstrang.

Claims (11)

1. Verfahren zur Detektion von Straßen- und Schienen­ fahrzeugen (1, 1.1) mittels eines magnetoresistiven Sensors (2), wobei dieser magnetoresistive Sensor (2) im Bereich der Fahrbahn (3) bzw. im Bereich der Schie­ nenstränge (4) angeordnet ist und die durch die Bewe­ gung der Fahrzeuge (1, 1.1) im Bereich des magnetoresi­ stiven Sensors (2) verursachte Änderung des Erdmagnet­ feldes zu einem Sensorsignal führt und das das Fahrzeug (1, 1.1) anzeigende Sensorsignal einer Auswertung un­ terzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von kinematischen Größen der Stra­ ßen- und Schienenfahrzeuge (1) neben einem ersten ma­ gnetoresistiven Sensor (2a) ein zweiter magnetoresisti­ ver Sensor (2b) zur Bildung eines magnetoresistiven Sensorsystems vorgesehen ist, wobei diese beiden Senso­ ren (2a, 2b) beabstandet voneinander so angeordnet sind, daß deren Verbindungsleitung (7a) in Bewegungs­ richtung der Fahrzeuge (1) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei benachbarten Fahrspuren (3d, 3e, 3f) für jede Fahrspur ein magnetoresistiver Sensor (2) bzw. ein magnetoresistives System (20a, 20b; 21a, 21b; 22a, 22b) vorgesehen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei benachbarten Fahrspuren (3d, 3e, 3f) jeweils für drei oder zwei Fahrspuren ein magnetoresi­ stiver Sensor (2) bzw. ein magnetoresistives System (2a, 2b) vorgesehen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoresistive Sensor (2) in die Fahrbahn (3) der Straßenfahrzeuge (1) bzw. in den Gleiskörper des Schienenstranges der Schienenfahrzeuge (1.1) versenkt angeordnet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoresistive Sensor (2) ne­ ben oder über der Fahrbahn der Straßenfahrzeuge (1) bzw. des Schienenstranges der Schienenfahrzeuge (1.1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoresistive Sensor (2) folgenden Aufbau auf­ weist:

• a) eine aus vier magnetoresistiven Widerständen auf­ gebaute Brückenschaltung (2a),
• b) einen der Brückenschaltung (2a) nachgeschalteten Signalverstärker (2b),
• c) einen dem Signalverstärker (2b) nachgeschalteten PWM-Wandler (2c) und
• d) eine Auswerteeinheit (5), der das Ausgangssignal des PWM-Wandlers (2c) zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Selbsttesteinheit (2d) vorgesehen ist, die ei­ nen Referenzsignal-Erzeuger (2e) ansteuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzsignal-Erzeuger eine Luftspule (2e) in unmittelbarer Nachbarschaft der Brückenschaltung (2a) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Außengehäuse (10) vorge­ sehen ist, das in den Untergrund der Fahrbahn (3) bzw. der Schienenstränge (4) versenkt ist, daß ferner ein Innengehäuse (9) zur Aufnahme des magnetoresistiven Sensors (2) vorgesehen ist, das herausnehmbar vom Au­ ßengehäuse (10) aufgenommen wird und daß schließlich Mittel (12) vorgesehen sind, die von der Oberfläche (3a) der Fahrbahn (3) bzw. des Unterbaues der Schienen­ stränge (4) her das Außengehäuse (10) abnehmbar ver­ schließen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Mittel (12) aus Kunststoff oder Aluminium­ druckguß besteht.