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Mit der zunehmenden Digitalisierung und Automatisierung des Schienenverkehrs ist die Kenntnis der Geschwindigkeit und der gleisselektiven Position der Schienenfahrzeuge grundlegend, um einen reibungsfreien und sicheren Betriebsablauf zu gewahrleisten. Fur einen vollstandig autonomen Betriebsablauf sind insbesondere Verfahren erforderlich, die auf dem Schienenfahrzeug zum Einsatz kommen und dadurch kostenintensive Modernisierungen der streckenseitigen Infrastruktur umgehen. Fur eine gleisselektive Positionsbestimmung des Schienenfahrzeugs reichen Genauigkeit und Verfugbarkeit der bisherigen fahrzeugseitigen Sensoren (Radencoder, Inertiale Messeinheit, satellitengestutzte Positionierungssysteme oder optische Verfahren) nicht aus. Unsicherheiten aufgrund von Mehrwegausbreitung, Verdeckung, geringer Verfugbarkeit, Ausfallen oder schlechte Lichtverhaltnissen fuhren zu Mehrdeutigkeiten oder einem kompletten Verlust der Position. Schlupf zwischen Rad und Schiene oder Verschleis des Rades fuhren zu fehlerhaften Geschwindigkeiten und stetig wachsenden Unsicherheiten in der zuruckgelegten Wegstrecke. Insbesondere in Bereichen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Gleisen ist eine gleisselektive Positionsbestimmung nicht mehr moglich. Um die Einschrankungen aktueller Sensoren zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein neues Sensorkonzept vorgeschlagen. Basierend auf den ferromagnetischen Inhomogenitaten entlang der Gleisstrecke, die masgeblich durch die bereits vorhandenen streckenseitigen Infrastrukturelemente, darunter die Schienen, Schienenbefestigung, Radlenker und Herzstucke, verursacht werden, entstand der Differenz-Induktivitats-Sensor (DIS). Durch die systembedingte Bindung des Schienenfahrzeugs und die Anordnung der Bauelemente entlang der Gleisstrecke besitzt jedes Schienenelement eine einzigartige ferromagnetische Signatur. Um daraus die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs zu ermitteln, ist der DIS mit zwei Detektoren ausgestattet, die uber ein elektromagnetisches Messverfahren beruhrungslos an zwei unterschiedlichen Positionen die ferromagnetischen Inhomogenitaten der Schienen erfassen. Aus dem zeitliche Versatz der Signaturen und dem Abstand der Detektoren ergibt sich die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Gleichzeitig dienen die ferromagnetischen Inhomogenitaten der Schienen als Landmarken, mit denen jeder Streckenabschnitt im Streckennetz eindeutig identifizierbar ist. Dadurch wird ein gleisselektives Verfahren bereitgestellt, um die Position des Schienenfahrzeugs zu bestimmen. Unter kontrollierten Laborbedingungen und auf einer georeferenzierten Teststrecke wird die Erstellung der ferromagnetischen Streckenkarten, die Bestimmung der Geschwindigkeit und das Lokalisierungsverfahren unter alleiniger Verwendung des DIS evaluiert. Die Abweichung in der Geschwindigkeit und Position des DIS zu den Referenzsensoren liegt dabei in derselben Grosenordnung wie die Abweichungen der beiden Referenzsensoren zueinander. Die Abweichung der Geschwindigkeit betragt weniger als |0,5| m/s, die der Position weniger als |1,0| m, zu der Referenzsensorik. Zusatzlich liefert der DIS uber die ferromagnetischen Inhomogenitaten der Schiene eine gleisselektive Position des Schienenfahrzeugs. Uber ein Modell wird eine maximale Lange der ferromagnetischen Inhomogenitaten von 200 m ermittelt, die fur einen eindeutigen Abgleich mit der ferromagnetischen Streckenkarte erforderlich ist. Zusatzlich wird ein Optimierungsverfahren vorgestellt, mit dem der Abgleich auf ausgedehnten Streckenkarten beschleunigt und gleichzeitig die zu speichernde Datenmenge der ferromagnetischen Streckenkarten reduziert wird. Mit dem vollstandig autark operierenden DIS ist es nun moglich, beruhrungslos die Geschwindigkeit und die gleisselektive Position mit einer ferromagnetischen Streckenkarte zu ermitteln. Anhand der ferromagnetischen Inhomogenitaten ist der DIS in der Lage, die linke und rechte Schiene eines Gleissegmentes eindeutig voneinander zu trennen. Im Gegensatz zu satellitengestutzten Lokalisierungsverfahren sind parallel verlaufende oder nah beieinander liegende Schienensegmente eindeutig unterscheidbar. Die Gleisselektivitat ist dadurch nicht mehr durch die raumliche Nahe der Gleise beschrankt. Im Vergleich zu den bisherigen Verfahren ist mit dem DIS und den ferromagnetischen Inhomogenitaten der Schiene eine kontinuierliche und gleisselektive Position des Schienenfahrzeugs gegeben und nicht auf einzelne Abschnitte in der Nahe von Weichen oder Balisen beschrankt. Mit einer absoluten Positionsgenauigkeit von unter einem Meter und einer Geschwindigkeitsabweichung von weniger als 0,5 m/s erfullt der DIS die Anforderungen moderner Verkehrsmanagement- und Kontrollsysteme. Der DIS ist dadurch in der Lage, ein satellitenbasiertes Lokalisierungsverfahren zu ersetzen oder dieses uber das komplementare Messverfahren sinnvoll zu erganzen. Mehrdeutigkeiten in der Gleisbelegung des Schienenfahrzeugs aufgrund von Unsicherheiten in der Position entfallen.

Ferromagnetische Inhomogenitäten zur berührungslosen Bestimmung der Geschwindigkeit und gleisselektiven Position von Schienenfahrzeugen