[0001] Die Erfindung betrifft ein computerbasiertes Verfahren zur infrastrukturlosen Detektion
einer Überfahrt eines Gleisabschnitts eines Schienenweges durch ein Schienenfahrzeug.
Die Detektion erfolgt vorzugsweise bordseitig, also im Schienenfahrzeug. Die infrastrukturlose
Detektion erfolgt erfindungsgemäß anhand einer Gleissignatur, was als virtuelle Balise
aufgefasst werden kann. Eine Gleissignatur ist ein ortsabhängiges Signal, das über
einen gefahrenen Weg eines Gleisnetzwerks aufgetragen wird (siehe hierzu auch
DE-A-10 2012 219 111). Ein Gleisnetzwerk ist in aneinanderhängende Gleise unterteilt. Die Signatur der
virtuellen Balise befindet sich auf einem Teilstück eines Gleises, genannt Gleisabschnitt,
mit einer bestimmten Länge. Die verschiedenen Gleisabschnitte für verschiedene virtuelle
Balisen hängen in der Regel nicht zusammen, sondern sind durch Abstände getrennt.
Gleissignaturen können aus Messungen z. B. der Position und/oder der Lage (im Raum)
des Schienenfahrzeugs, dem Magnetfeld, den auf das Schienenfahrzeug wirkenden Vibrationen
(in einer oder mehreren Raumrichtungen), den Gleiskrümmungen, den Kurvenfahrten (z.
B. beim Abbiegen an einer Weiche), dem "Kurswinkel" und/oder den Veränderungen der
zuvor genannten Parameter gebildet werden.
[0002] Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ergänzung zu einem Verfahren zur Zuglokalisierung,
wie z.B. ETCS (European Train Control System), mit einer virtuellen Balise basierend
auf Gleissignaturen, insbesondere der Magnetfeldsignatur, der Vibrationssignatur und
der Gleiskrümmungssignatur. Eine Gleissignatur ist ein ortsabhängiges Signal aus zugseitigen
Messdaten, das über einen gefahrenen Weg aufgetragen wird.
[0003] Die Zuglokalisierung bestimmt zum einen das Gleis, auf dem sich das Schienenfahrzeug
z.B. nach dem Überfahren einer (ggf. Kreuzungs-)Weiche befindet, und zum anderen die
Längsposition auf dem Gleis. Die Gleisidentifikationsnummer und die Längsposition
auf dem Gleis bilden das Lokalisierungsergebnis (Gleisposition). Die Gleisgenauigkeit
oder auch Gleisselektivität bedeutet die korrekte Bestimmung des richtigen Gleises
in Weichen oder Parallelgleisszenarien.
[0004] In
DE-A-10 2012 219 111 ist ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs innerhalb eines Schienennetzes
beschrieben, bei dem mindestens eine während der Befahrung der Strecke auf das Schienenfahrzeug
wirkende, sich ortsabhängig verändernde physikalische Größe, wie beispielsweise die
Vibrationen in Z-Richtung, d.h. Vertikalrichtung, das Magnetfeld, Gleiskrümmungen
und Gleisüberhöhungen, ermittelt wird. Damit wird sozusagen bei dem bekannten Verfahren
die Signatur eines Gleisabschnitts ermittelt. Der orts- und/oder zeitabhängige Verlauf
der mindestens einen physikalischen Größe bzw. deren Orts- und/oder Zeitabhängigkeit
wird mit Gleissignaturen des Schienennetzes verglichen, die zuvor durch Befahren des
Schienennetzes ermittelt worden sind. Damit kann das Schienenfahrzeug zu jeder Zeit
und an jedem Ort im Schienennetz geortet werden.
[0005] Wie bereits oben beschrieben, ist es bekannt, zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs
Balisen einzusetzen (siehe z. B.
EP-A-1 674 371). Hierbei handelt es sich im Regelfall um physikalische Balisen (auch Eurobalisen
genannt), die beim Überfahren durch ein Schienenfahrzeug angeregt werden und ihrerseits
eine Codierung aussenden. Diese wird vom Schienenfahrzeug ausgelesen und repräsentiert
beispielsweise die Gleisposition, wodurch beispielsweise ein Schienenfahrzeug eigenes
Positionsermittlungssystem kalibriert werden kann. Problematisch bei den physikalischen
Balisen ist, dass diese zunächst im Schienennetz positioniert werden müssen, was zusätzlichen
Aufwand bedeutet.
[0006] Aus
DE-A-10 2004 063 049 ist es bekannt, dass eine Balise nicht nur vorgegebene Daten überträgt, sondern auch
modifizierte Daten aussenden kann, die beispielsweise Auskunft über besondere, beispielsweise
temporäre, Gegebenheiten eines Gleisabschnitts bzw. eines nachfolgenden Gleisabschnitts
geben.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist die infrastrukturlose Detektion einer Überfahrt eines Gleisabschnitts
eines Schienenwegs durch ein Schienenfahrzeug.
[0009] Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur infrastrukturlosen
Detektion einer Überfahrt eines Gleisabschnitts eines Schienenwegs durch ein Schienenfahrzeug
vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
- für ausgewählte, nicht aneinander angrenzende Gleisabschnitte des Schienenweges jeweils
mindestens eine Gleissignatur bereitgestellt wird, die den Verlauf und/oder die Veränderung
mindestens einer ortsabhängigen physikalischen Größe beschreibt, die während der Befahrung
des betreffenden Gleisabschnitts auf das Schienenfahrzeug einwirkt und damit den Gleisabschnitt
charakterisiert,
- die mindestens eine physikalische Größe durch eine Sensorik des Schienenfahrzeugs
beim Überfahren des Schienenwegs erfasst und aufgezeichnet wird,
- durch Vergleich des aufgezeichneten Verlaufs der mindestens einen physikalischen Größe
und/oder deren Veränderung mit den in der Datenbank bereitgestellten Gleissignaturen
ermittelt wird, ob das Schienenfahrzeug einen der Gleisabschnitte, für den in der
Datenbank eine Gleissignatur existiert, überfährt oder verlässt, und
- ein Wahr-Signal ausgegeben wird, wenn der aufgezeichnete aktuelle Verlauf der mindestens
einen physikalischen Größe mit einer der in der Datenbank existierenden Gleissignaturen
übereinstimmt oder von dieser um weniger als eine vorgegebene tolerierbare Maximalabweichungsschwelle
abweicht.
[0010] Erfindungsgemäß werden die beispielsweise für das ETCS-System erforderlichen realen
Balisen virtuell auf Basis von Gleissignaturen realisiert. Bei der erfindungsgemäß
verwendeten Gleissignatur kann es sich um eine Magnetfeldsignatur, eine Vibrationssignatur,
eine Gleiskrümmungssignatur und/oder eine Gleislängsneigungssignatur o.dgl. Signatur
handeln, die als physikalische Größe im Schienenfahrzeug beim Überfahren des Schienenwegs
messtechnisch ermittelbar ist. Dort, wo im Schienennetz eine erfindungsgemäße virtuelle
Balise zu positionieren ist, wird die Gleissignatur des Gleisabschnitts vorab ermittelt.
Das den Schienenweg befahrende Schienenfahrzeug erfasst laufend bzw. quasi kontinuierlich
die Signatur des Schienenwegs, d.h. die Veränderung bzw. den Verlauf (ortsabhängig)
der physikalischen Größe, wie sie für die Gleissignatur verwendet wird. Die aktuell
ermittelte Gleissignatur wird nun mit den vorab erstellten und abgelegten Gleissignaturen
verglichen. Dadurch kann das Schienenfahrzeug oder eine übergeordnete Leitstelle ermitteln,
in welchem Gleisabschnitt bzw. welcher Balise das Schienenfahrzeug gerade überfährt
bzw. gerade überfahren hat.
[0011] In Abgrenzung zur Lokalisierung mittels Gleissignaturen, wie sie in
DE-A-10 2004 063 049 und
DE-A-10 2015 205 535 beschrieben ist, erfolgt nach der Erfindung die Detektion der Überfahrt eines von
mehreren ausgewählten Gleisabschnitten durch Vergleich der Gleissignatur des aktuell
überfahrenen Gleisabschnitts mit den für ausgewählte Gleisabschnitte in der Datenbank
hinterlegten Gleissignaturen. Anders als bei den bekannten Verfahren wird nach der
Erfindung keine Wahrscheinlichkeit dafür ermittelt, dass sich der Zug in einem bestimmten
Gleisabschnitt befinden könnte. Es erfolgt vielmehr eine JA/NEIN-Entscheidung, wie
es auch bei realen Balisen der Fall ist. Hier ist der wesentliche Unterschied der
Erfindung zum Stand der Technik betreffend den Einsatz von Gleissignaturen zu sehen.
Stimmt die aktuell ermittelte Gleissignatur mit einer der in der Datenbank hinterlegten
Gleissignaturen überein, wird ein Signal ausgegeben, das die Ortsposition des zur
Gleissignatur gehörenden Gleisabschnitts repräsentiert. Damit "weiß" eine Leitstelle
und/oder das Fahrzeug, wo sich das Fahrzeug befindet bzw. dass es sich auf dem "richtigen"
Gleis befindet.
[0012] In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Daten
die Gleisposition (d.h. Gleisidentifikationsnummer und Gleislängsparameter) und/oder
die geografische Position des detektierten Gleisabschnitts und/oder die örtliche Höchstgeschwindigkeit
und/oder andere Daten beinhalten, die mit der Fahrt und/oder Steuerung des Schienenfahrzeugs
im Zusammenhang stehende, ggf. sich verändernde Gegebenheiten repräsentieren. Hierbei
kann es sich bei den anderen Daten, die von der virtuellen Balise neben der Gleisposition
und/oder ggf. der geografischen Position ausgesendet werden, um diejenigen Informationen
handeln, wie sie beispielhaft in
DE-A-10 2004 063 049 im Einzelnen beschrieben sind.
[0013] Vorteilhafterweise wird als eine Gleissignatur beschreibende physikalische Größe
das Magnetfeld, die Vibrationen, der Grad der Krümmung und/oder der Lagewinkel des
Gleisabschnitts oder eine Kombination der zuvor genannten Größen verwendet.
[0014] In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Gleisabschnitte, für die Gleissignaturen bereitgestellt werden, mittels physikalischer
Veränderungen im betreffenden Gleisabschnitt versehen werden. Eine derartige physikalische
Veränderung ist für die erfindungsgemäße infrastrukturlose Detektion geeignet, da
weiterhin keine realen Balisen, reale Landmarken odgl. zusätzliche Infrastruktur für
die Detektion einer Gleisabschnittsüberfahrt erforderlich ist.
[0015] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Vergleich aktuell ermittelter
Gleissignaturen mit vorab erstellten, in einer Datenbank abgelegten Gleissignaturen
des Schienennetzes auch dazu benutzt werden, um sich im Laufe der Zeit verändernde
virtuelle Balisen auf Basis von Gleissignaturen zu aktualisieren. Wenn also beispielsweise
beim Überfahren eines mit einer virtuellen Balise versehenen Gleisabschnitts durch
ein zu lokalisierendes Schienenfahrzeug die Gleissignatur ermittelt wird, und diese
Gleissignatur sich um mehr als eine erste Abweichungsschwelle und um weniger als eine
größere zweite Abweichungsschwelle von der diesem Gleisabschnitt zugeordneten abgespeicherten
Gleissignatur unterscheidet, so kann die aktuelle Gleissignatur als neue virtuelle
Balise für diesen Gleisabschnitt in einer Datenbank abgelegt werden und von da an
diese neue aktualisierte Gleissignatur als virtuelle Balise für anschließende Schienenfahrzeuglokalisierungen
eingesetzt werden.
[0016] Alternativ ist es auch möglich, die erfindungsgemäße virtuelle Balise mit mehreren
Gleissignaturen zu versehen, um dann auch mehrere gemessene Gleissignaturen auf Übereinstimmung
mit den Gleissignaturen der Balise zu überprüfen. Wenn dann beispielsweise die Magnetfeldgleissignatur
der Balise von der aktuell gemessenen Magnetfeldgleissignatur abweicht, aber bezüglich
anderer Gleissignaturen eine Übereinstimmung besteht, so wird erkannt, dass das Schienenfahrzeug
gerade die virtuelle Balise passiert.
[0017] Das Konzept der erfindungsgemäßen virtuellen Balise mittels Gleissignaturen ist als
unkomplizierte Integration von weiteren Messungen, wie. z.B. Magnetfeld, Vibration,
Beschleunigungen, Drehraten usw, in das ETCS anzusehen. Aktuelle ETCS Systeme verfügen
bereits über eine Schnittstelle für physische Balisen (Funkbake, Eurobalise), wobei
eine Balisenvermessung u.a. zur Gleisbestimmung und Längsfehlerkorrektur genutzt wird.
Ergänzend zu den virtuellen Balisen mittels GNSS können erfindungsgemäß auch virtuelle
Balisen über Signaturen nach dem gleichen Prinzip verwendet werden. Ein großer Vorteil
ist der Einsatz in Tunnel und im Untergrund.
[0018] Erfindungsgemäß kann also das Konzept der virtuellen Balise nach z.B.
DE-A-10 2004 063 049 durch erfindungsgemäß signaturbasierte virtuelle Balisen aus einer Signatur (Magnetfeld/Vibration/Position/Lage/Krümmung)
zum Zwecke z.B. der Zuglokalisierung erweitert werden. Das ist insbesondere in Tunneln,
U-Bahn und Bahnhöfen ein Vorteil.
[0019] Grundsätzlich werden reale und virtuelle Balisen eingesetzt, um die bordseitige Positionsermittlung
zu kalibrieren. Ausgehend von einer erkannten Balise ermittelt das Schienenfahrzeug
von da ab seine insbesondere Gleisposition anhand von bordseitiger Sensorik, nämlich
Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, aus der dann der zurückgelegte Weg ermittelt
werden kann. Diese Ermittlung ist driftbehaftet. Deshalb wird die bordseitige Positionsermittlung
zum Zeitpunkt der Vorbeifahrt an der nächsten Balise wieder aktualisiert.
[0020] Eine virtuelle Balise kann nicht nur Positionsinformationen übertragen, sondern auch
andere, dem detektierten Gleisabschnitt zugeordnete Daten und damit der betreffenden
Gleissignatur zugeordnete Daten an das Schienenfahrzeug und/oder eine Schienenfahrzeug-Steuerungszentrale
(Leistelle, Stellwerk, Zugführer) übertragen.
[0021] Das Konzept der virtuellen Balise wird also erfindungsgemäß um Gleissignaturen erweitert,
insbesondere mit der Magnetfeldsignatur, und/oder der Vibrationssignatur und/oder
der Gleiskrümmungssignatur.
[0022] Der Aufbau der erfindungsgemäß signaturbasierten Zuglokalisierung mit virtuellen
Balisen mit Signaturen ist in den Fign. 1 und 2 der Zeichnung schematisch dargestellt.
[0023] Die Signaturen werden aus einer Messsequenz von zugseitig montierten Sensoren 3d
und einer Sequenz von Geschwindigkeitswerten 3c erzeugt und anschließend gefiltert.
Mithilfe der Geschwindigkeit wird das zeitlich abgetastete Messsignal in den Ortsbereich
transformiert. Das Verfahren benötigt Geschwindigkeitswerte, die aus Geschwindigkeitssensoren
(Radumdrehung, Dopplerradar) oder aus Magnetfeld- oder Vibrationsmessungen stammen.
Eine Karte bzw. 3b beinhaltet längsparametrisierte Referenzsignaturen aus transformierten
und gefilterten Messdaten, die zusammen mit einer Gleisidentifikationsnummer und dem
Gleislängenparameter (auch Gleisposition) gespeichert sind. Das Lokalisierungsergebnis
mit Gleisidentifikationsnummer und der Gleisposition aus Signaturen wird durch Abgleich
von Referenzsignaturen aus der Karte und der zuletzt gemessenen Messsignatur erreicht
(Block 3a). Ein Detektor 3e (JA/NEIN-Entscheider) entscheidet, ob und, wenn ja, mit
welcher in der Datenbank 3b gespeicherten Gleissignaturen die aktuell gemessene Gleissignatur
übereinstimmt und gibt ein Wahr-Signal aus, wenn eine Übereinstimmung mit einer der
gespeicherten Gleissignaturen festgestellt wird.
[0024] Zur Zuglokalisierung mittels einer erfindungsgemäßen virtuellen Balise wird die Überfahrt
einer virtuellen Balise detektiert. Die detektierte Balise hat eine bekannte Position
im Gleisnetzwerk, die in einer Karte hinterlegt ist. Damit steht der Zuglokalisierungseinheit
eine Gleisposition als Messung zur Verfügung. Die virtuellen Balisen sind dabei so
gewählt, dass an geeigneten und diskreten Positionen, in bestimmten Abständen und
besonders nach Weichen eine virtuelle Balise für jeden Fahrweg zur Verfügung steht.
[0025] Bei Detektion der Überfahrt eines der Gleisabschnitte, für die in der Datenbank eine
Gleissignatur abgelegt ist, wird ein Signal oder Telegramm 3g an die Balisenschnittstelle
der Zuglokalisierungseinheit 8 (z.B. ECTS) gesendet.
[0026] Wird für die erfindungsgemäße infrastrukturlose Detektion einer Gleisabschnittsüberfahrt
eine Magnetfeldsignatur verwendet, so können ggf. permanent erregte oder elektromagnetische
Magnete an der Strecke angebracht werden. Diese Magnete können vereinzelt oder in
einer speziellen Anordnung mit mehreren Magneten erfolgen. Diese Anordnung kann auch
in einer eindeutig identifizierbaren Art erfolgen, z.B. mit einer möglichst geringen
Kreuzkorrelation zu anderen Positionen. Als Beispiel sind u.a. Goldcodes zu benennen.
[0027] Fig. 2 zeigt die Gleisbereiche vor und hinter einer Weiche 7 (oder Kreuzweiche).
Auf dem Gleis 2 befindet sich das Schienenfahrzeug 1. Das Gleis 2 weist einen Gleisabschnitt
2a mit der Gleissignatur 2b auf. Hinter der Weiche 7 schließen sich die beiden Gleise
5 und 6 an, die jeweils einen Gleisabschnitt 5a bzw. 6a mit der Gleissignatur 5b bzw.
6b aufweisen. Die drei Gleissignaturen 2b, 5b und 6b sind unterschiedlich, wie die
Verläufe der sie charakterisierenden Größe bzw. Größen (z. B. Vibrations- und/oder
Magnetfeldverlauf) zeigen.
Bezugszeichenliste
[0028]
Fig. 1
- 1
- Schienenfahrzeug
- 2
- Gleis
- 2a
- Gleisabschnitt
- 2b
- Gleissignatur des Gleisabschnitts 2a
- 3
- Referenzsystem mit Signaturmessungen
- 3a
- Lokalisierungsverfahren des Referenzsystems mit Signatur
- 3b
- Streckenkarte mit Signaturen (Datenbank)
- 3c
- Geschwindigkeitsinformation
- 3d
- Magnetfeldsensor zur Signaturmessung
- 3e
- Detektor (JA-/NEIN-Entscheider)
- 3g
- Telegramm, Signal zur Balisenschnittstelle
- 8
- Zuglokalierungssystem (z.B. ETCS)
Fig. 2
- 4
- Gleis
- 4a
- Gleisabschnitt
- 4b
- Gleissignatur des Gleisabschnitts 4a
- 5
- Gleis
- 5a
- Gleisabschnitt
- 5b
- Gleissignatur des Gleisabschnitts 5a
- 7
- Weiche
1. Verfahren zur infrastrukturlosen Detektion einer Überfahrt eines Gleisabschnitts eines
Gleises eines Schienenweges durch ein Schienenfahrzeug, wobei bei dem Verfahren
- für ausgewählte, nicht aneinander angrenzende Gleisabschnitte von Gleisen des Schienenweges
jeweils mindestens eine Gleissignatur in einer Datenbank bereitgestellt wird, die
den Verlauf und/oder die Veränderung mindestens einer ortsabhängigen physikalischen
Größe beschreibt, die während der Befahrung des betreffenden Gleisabschnitts auf das
Schienenfahrzeug einwirkt und damit den Gleisabschnitt charakterisiert,
- die mindestens eine physikalische Größe durch eine Sensorik des Schienenfahrzeugs
beim Überfahren des Schienenwegs erfasst und aufgezeichnet wird,
- durch Vergleich des aufgezeichneten Verlaufs der mindestens einen physikalischen
Größe und/oder deren Veränderung mit den in der Datenbank bereitgestellten Gleissignaturen
ermittelt wird, ob das Schienenfahrzeug einen der Gleisabschnitte, für den in der
Datenbank eine Gleissignatur existiert, überfährt oder verlässt, und
- ein Wahr-Signal ausgegeben wird, wenn der aufgezeichnete aktuelle Verlauf der mindestens
einen physikalischen Größe mit einer der in der Datenbank existierenden Gleissignaturen
übereinstimmt oder von dieser um weniger als eine vorgegebene Maximalabweichungsschwelle
abweicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisabschnitte eine bestimmte Länge haben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Gleisabschnitte nicht zusammenhängen und in Gleiserstreckung betrachtet
jeweils einen Abstand voneinander haben.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Gleisabschnitte aufgrund unterscheidbarer Gleissignaturen von Gleisabschnitten
der Gleise eines Bereichs des Schienennetzes erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem detektierten Gleisabschnitt und einer Datenbank weitere Daten bestimmt werden
können wie z.B. die Gleisposition mit Gleisidentifikationsnummer und Gleislängsparameter
und/oder die geografische Position des detektierten Gleisabschnitts und/oder die zulässige
Höchstgeschwindigkeit des detektierten Gleisabschnitts.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für ausgewählte Gleisabschnitte bereitgestellten Gleissignaturen anhand des beim
Überfahren eines betreffenden Gleisabschnitts aktuell ermittelten Orts- und/oder Zeitverlaufs
der mindestens einen physikalischen Größe und/oder deren orts- und/oder zeitabhängige
Veränderung in der Datenbank aktualisiert werden, wenn sich die aktuell ermittelte
Gleissignatur von der für den betreffenden Gleisabschnitt bereitgestellten Gleissignatur
um mehr als eine Minimalabweichungsschwelle, die kleiner als die Maximalabweichungsschwelle
ist, unterscheidet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleisabschnitte, für die Gleissignaturen bereitgestellt werden, mittels physikalischer
Veränderungen im betreffenden Gleisabschnitt versehen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässige Höchstgeschwindigkeit in einem Gleisabschnitt mit der gemessenen Geschwindigkeit
des Schienenfahrzeugs verglichen wird und bei Überschreitung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit
eine Warnung, eine Meldung oder ein Telegram an den Zugführer und/oder an die Zugsicherungselektronik
und/oder an eine Leitstelle erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Gleissignatur beschreibende physikalische Größe das Magnetfeld, die Vibrationen,
der Grad der Krümmung und/oder der Lagewinkel des Gleisabschnitts oder eine Kombination
der zuvor genannten Größen verwendet wird.