SCHICK, Anton (Riemerweg 2, Velden, 84149, DE)
GOLDAMMER, Matthias (Rapotostraße 10, München, 80687, DE)
SCHICK, Anton (Riemerweg 2, Velden, 84149, DE)
| Patentansprüche 1. Anordnung zur Detektion von Wärmestrahlung emittierenden Objekten (10) auf einem Gleiskörper (20) von Schienenfahrzeu- gen mit - durch mehrere passive Infrarotdetektoren/PIR ausgebildete Sensoren (Sl, S2), die zumindest einzeilig dargestellt und im Wesentlichen waagerecht ausgerichtet sind, - wobei jeweils zumindest zwei Sensoren relativ zu einem Gleiskörper (20) gegenüberliegend positioniert sind, - die Erfassungsrichtungen der Sensoren im Wesentlichen parallel zum Gleiskörper, mit jeweils gleicher Orientierung verlaufen , und - wobei Signale zumindest von gegenüberliegenden Sensoren verknüpfbar sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (sl,s2) als zweidimensionale Sensoranordnungen ausgebildet sind. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend von nebeneinander liegenden Infrarotdetektoren/PIR korrespondierende Detektionskanäle (40, 50) vorhanden sind, deren Querschnitt sich mit zunehmenden Abstand von dem Sensor (Sl, S2) vergrößert. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einem PIR jeweils ein Objektiv zur Fo- kussierung von Infrarotstrahlung auf den PIR vorhanden ist. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (Sl, S2) an Masten (30) auf dem Gleiskörper (20) angebracht sind. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche zweidimensionale Kamera zur Anzeige einer Objektszene in einem Schienenfahrzeug vorhanden ist. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten mit jeweils paarig angeordneten Sensoren (sl,s2) entlang eines Gleiskörpers hin- tereinander vorhanden sind und eine Verknüpfung von Signalen unterschiedlicher Sensoreinheiten möglich ist. 8. Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung emittierenden Objekten (10) auf Gleiskörpern (20) von Schienenfahrzeugen mit folgenden Schritten: - Erfassung der Objekte (10) mit waagerecht orientierten zumindest einzeilig ausgebildete Sensoren (Sl, S2), bestehend aus einer Mehrzahl von passiven, Infrarotdetektoren/PIR - Ausrichtung der relativ zum Gleiskörper (20) gegenüberlie- gend angeordneten Sensoren (Sl, S2) derart, dass in einer Sensorzeile der äußerste Infrarotdetektoren/PIR parallel zum Gleiskörper detektiert und weitere Infrarotdetektoren/PIR der Sensorzeile einen im Wesentlichen waagerecht liegenden Fächer über dem Gleiskörper aufspannen, wobei sich die Fächer gegenüberliegender Sensoren (Sl, S2) zumindest partiell überschneiden, - Auslösung eines Alarms lediglich, wenn ein äußerer Infra- rotdetektor/PIR ein Objekt (10) detektiert und gleichzeitig ein weiter innen liegender Infrarotdetektor/PIR des jeweils anderen Sensors (Sl, S2) das Objekt (10) detektiert. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (sl,s2) zweidimensional ausgebildet werden, so dass mehrere waagerecht liegende Sensorzeilen übereinander ange- ordnet sind. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund von symmetrischer Anordnung der Sensoren (Sl, S2) relativ zum Gleiskörper dreidimensionale Daten für eine Objektposition durch Triangulation ermittelt werden. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionales Bild in einem Schienenfahrzeug von der Objektszene angezeigt wird. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dreidimensionale Daten in der Objektszene zu einer Markierung des Objektes (10) in dem angezeigten Bild verwendet werden. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass mehrere Sensoreinheiten bestehend aus jeweils paarig angeordneten Sensoren (sl,s2) entlang eines Gleiskörpers hintereinander eingesetzt werden, die Sensoreinheiten in unterschiedliche entgegensetzte Richtungen detek- tieren können und eine Verknüpfung von Signalen unterschied- licher Sensoreinheiten vorgenommen wird. 14. Verwendung einer Anordnung entsprechend Anspruch 1 bis 7, beziehungsweise eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 13, zur Überwachung einer Hochgeschwindigkeitsstrecke. |
Anordnung und Verfahren zur Detektion von Wärmestrahlung emittierenden Objekten auf Gleiskörpern
Die Erfindung betrifft Anordnung und Verfahren sowie Verwendung von Sensoren zur Detektion von Wärmestrahlung emittierenden Objekten auf Gleiskörpern von Schienenfahrzeugen.
Die heutigen Entwicklungen im Schienenbau und im Eisenbahnverkehr führen zunehmend zu höheren Geschwindigkeiten. Bei Hochgeschwindigkeitszügen ergeben sich daraus insbesondere Gefahren für Fahrzeug und Personen durch Objekte, die sich in der Nähe oder im Gleisbereich befinden. Diese Gefahren werden von Zeit zu Zeit deutlich durch spektakuläre Unfälle, wie beispielsweise die kürzliche Kollision eines Hochgeschwindigkeitszuges mit einer Schafherde in einem Tunnel.
Es ist wünschenswert, in naher Zukunft erforderliche tech- nisch machbare und wirtschaftlich realisierbare Objekterfassungssysteme zur Vermeidung von entsprechenden Kollisionen zur Verfügung zu haben.
Im Stand der Technik ist lediglich der Lösungsansatz bekannt, dass besonders gefährdete Bereiche durch Zäune gesichert werden. Dies ist jedoch insofern wirtschaftlich nicht vertretbar, da nicht sämtliche Hochgeschwindigkeitsstrecken mit diesem enormen Material- und Kostenaufwand abgesichert werden können .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absicherung von Gleiskörpern für Schienenfahrzeuge bereitzustellen, welche geringe Fehlalarme und eine hohe Erkennungssicherheit bei vertretbaren Kosten vereint.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhaf- te Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden .
Entsprechend der Erfindung kommen zellenförmige Sensoranord- nungen zum Einsatz, die mehrere passive, infrarotsensitive Detektoren/PIR aufweisen. Derartige zellenförmige Sensoren sind gegenüberliegend zu einem Gleiskörper an Masten auf dem Gleiskörper entlang der Gleise positioniert. Zur Erzielung einer horizontalen Auflösung sind die zellenförmigen Sensoren waagerecht angeordnet. Diese Ausrichtung zur Erzielung einer Ortsauflösung bzw. einer Winkelauflösung ist entsprechend einer Zeilenkamera ausgeführt.
Alternativ kann statt eines zellenförmigen Sensors auch ein zweidimensionales Array mit fokussierender Optik verwendet werden, um beispielsweise ein zweidimensionales Abbild der Wärmestrahlung im Gleisbereich zu erzeugen. Dadurch kann die Erkennungssicherheit weiter erhöht und die Anzahl der Fehlalarme reduziert werden.
Dadurch, dass beide Zeilensensoren oder Sensoranordnungen in einer definierten Entfernung, beispielsweise an jeweils gegenüberliegenden Masten, angeordnet sind, kann über das Triangulationsprinzip eine Tiefenauflösung/Abstandswert durch Abstandsberechnung erzielt werden, falls die Signale von beiden Detektoren logisch miteinander verknüpft werden.
Bei Anwendung eines Zeilensensors lassen sich, entsprechend den in den Sensoren nebeneinander liegenden, passiven Infra- rotdetektoren/PIR, waagerecht liegende Fächer mit nebeneinander angeordneten Detektionskanälen ausbilden, wobei zu jedem PIR ein Objektiv vorschaltbar ist, um eingehende Infrarotstrahlen auf den PIR zu fokussieren.
Bei Anwendung einer zweidimensionalen Sensoranordnung kann zusätzlich eine Unterteilung in vertikaler Richtung ausgenutzt werden, wodurch zusätzlich die Information über die Objekthöhe erfasst und differenziert werden kann. Mit einer zusätzlichen zweidimensionalen Kamera kann im Falle eines detektierten Objektes eine Anzeige eines zweidimensionalen Bildes in einem Schienenfahrzeug vorgenommen werden.
Es ist besonders vorteilhaft, dreidimensionale, bereits aufgrund von triangulatorischen Beziehungen ermittelte Daten, zu verwenden, um in einem zweidimensional angezeigten Bild den Objektbereich zu markieren.
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Überwachung von Hochgeschwindigkeitsstrecken für Hochgeschwindigkeitszüge. Ausgehend von einer Nummerierung der Detektionska- näle von außen nach innen mit beispielsweise 1 bis 6, wird ein Alarm insbesondere erst dann ausgelöst, wenn durch ein korrespondierendes Paar von zwei Sensoren Sl, S2 einer davon mit mindestens einem PIR, der als Nummer 1 parallel zu einem Gleiskörper ausgerichtet ist, ein Objekt erfasst und gleichzeitig am zum Gleiskörper gegenüberliegenden Sensor das er- fasste Objekt durch einen weiter innen liegenden PIR detek- tiert wird, welcher mit einer Nummer versehen ist, die größer als 1 ist. Analog wird im Falle des zweidimensionalen Arrays der Alarm ausgelöst, wenn ein Objekt in einer vertikalen Spalte des Sensors, die parallel zum Gleis ausgerichtet ist und vom gegenüberliegenden Sensor durch eine weiter innen liegende Spalte des Sensors erfasst wird.
Im Folgenden werden anhand von begleitenden, schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbei- spiele beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Gleiskörper 20 mit Sensoren Sl, S2, und einem auf dem Gleiskörper befindlichen Objekt 10,
Figur 2 zeigt eine stark abstrahierte Aufsicht auf einen
Gleiskörper 20 mit einem Sensor Sl und Sensor S2, Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht des Sensors Sl mit entsprechender Nummerierung der passiven Infrarotdetektoren/PIR (10) .
Zunächst soll die Funktionsweise eines passiven Infrarotde- tektors/PIR beschrieben werden.
Ein PIR reagiert positiv bzw. schaltet auf EIN/HIGH, falls sich die mittlere Gesamtstrahlungsleistung ändert, welche auf ein PIR-Sensorelement trifft. Aufgrund von einstellbaren Zeitkonstanten kann erreicht werden, dass lediglich die Ereignisse, die einen Intensitätsschwellwert überschreiten und schneller als ein unteres Zeitlimit sind, zu einem Schaltvor- gang führen. Befindet sich ein Objekt über längere Zeit in einem Detektionskanal, so wird die nun aktuelle Strahlungsleistung als Referenz verwendet. Alternativ zur klassischen Funktionsweise eines PIR mit digitalem Signalausgang ist auch eine direkte Weiterleitung der am Infrarotelement detektier- ten Strahlungsleistung in Form eines analogen Spannungswertes an eine Auswerteeinheit möglich, wenn dies vorteilhaft für die Aufbereitung der Rohsignale ist.
Der PIR arbeitet bei sehr geringem Energieverbrauch als pas- siver Sensor. Er benötigt keinerlei aktive Beleuchtung oder Tageslicht für die Funktionsweise. Der PIR wird ausschließlich von jedem Körper bzw. der von einem Körper ausgehenden Wärmestrahlung beeinflusst. Dies bedeutet, dass ein PIR auch bei Dunkelheit uneingeschränkt einsetzbar ist.
Die entsprechend der Erfindung eingesetzten, zellenförmigen Sensoranordnungen bestehend aus einer Mehrzahl von PIR- Detektoren, werden vorzugsweise entlang der Ausrichtung von Gleiskörpern orientiert. Dies bedeutet, dass sie etwa paar- weise gegenüberliegend an entsprechenden Masten des Gleiskörpers angebracht sind und jeweils in die gleiche Richtung des Gleiskörpers ausgerichtet sind. Der zellenförmige Aufbau ist waagerecht ausgerichtet. Mit Objektiven kann die Infrarotstrahlung vorteilhaft auf ein jeweiliges PIR Sensorelement fokussiert werden, wobei diese Strahlung aus einem definierten Winkelsegment auf das Objek- tiv trifft. Auf diese Art und Weise wird eine horizontale Ortsauflösung erreicht bzw. eine Winkelauflösung. Dadurch, dass beide zellenförmigen Sensoranordnungen in einer definierten Entfernung an jeweils gegenüberliegenden Masten angeordnet sind, wird erreicht, dass nach dem Triangulationsprin- zip eine Tiefenauflösung, d.h. jeweils differenzierte Abstandswerte zwischen den PIR und Objekt berechenbar sind. Dies setzt voraus, dass die Signale von beiden Detektoren logisch miteinander verknüpft werden.
Da sich die benachbarten Detektionskanäle mit zunehmendem Abstand vom Sensor aufweiten, würden bei lediglich einem PIR- Detektor je Sensor Objekte in der Ferne detektiert, welche sich außerhalb des Gleiskörpers befinden und eine hohe Infra- rotabstrahlung aufweisen. Deshalb ist es erforderlich, dass jeweils zwei PIR-Anordnungen eingesetzt werden, welche in vorteilhafter Weise miteinander kommunizieren. Dies bedeutet, dass zur Vermeidung von Fehlalarmen erst ein Alarm ausgelöst wird, wenn bei beiden PIR-Anordnungen eine vordefinierte Aus- löse-Sequenz auftritt. Auslösen bedeutet allgemein, dass ein Sensorpixel ein PIR-Element in einer Sensoranordnung auf EIN/HIGH schaltet.
Eine mögliche Variante einer Alarmlogik besteht darin, dass die Sensorpixel eines Zeilensensors bzw. die einzelnen PIR- Elemente durchnummeriert werden, wobei in einem zellenförmigen Sensor Sl, S2 ein PIR Element, welches parallel zu den Gleisen ausgerichtet ist, die Nummer 1 erhält. Unter der Voraussetzung, dass sich zwei Sensoren gegenüberliegend zu einem Gleiskörper befinden, sind sie im Wesentlichen bezüglich ih- rer Detektionszonen symmetrisch ausgebildet. Anders ausgedrückt läuft die Zählung der korrespondierenden einzelnen PIR-Elemente mit zellenförmigem Aufbau jeweils von außen nach innen, wobei der äußere PIR mit der Nummer 1 parallel zu den Gleisen liegt bzw. detektiert. Weitere PIR eines zellenförmigen Sensors detektieren den Gleiskörper und liegen somit innerhalb der jeweils mit 1 nummerierten Sensorelemente der jeweiligen Sensoren Sl oder S2, also im Wesentlichen über dem Gleiskörper. Damit sind die Sensoren Sl, S2 in umgekehrter Reihenfolge durchnummeriert . Ein Alarm wird lediglich dann ausgeführt, wenn einer der beiden Sensoren mit dem äußeren, mit 1 nummerierten Infrarotdetektor/PIR auslöst und gleichzeitig ein Infrarotdetektor/PIR des gegenüberliegenden Sen- sors mit einer höheren Nummerierung ausgelöst wird.
Um eine störungsfreie Sensorfunktion zu gewährleisten und beispielsweise einen fahrenden Zug stoppen zu können, sollte eine Datenfusion erfolgen für die eine zusätzliche, zweidi- mensionale Kamera eingesetzt wird, die ein zweidimensionales Bild, beispielsweise in dem fahrenden Zug anzeigt. Hierbei kann aufgrund der bereits vorliegenden dreidimensionalen Sensorinformation aufgrund von triangulatorischen Messungen bereits der Bereich im Kamerabild markiert werden, in dem der Sensoralarm ausgelöst wurde.
Figur 1 zeigt einen Gleiskörper 20 mit zwei darauf aufgebauten Gleisen. Die Strecke ist elektrifiziert und weist jeweils gegenüberliegende Masten 30 auf, die entsprechende Fahrdrähte auf für die entsprechende Stromzufuhr tragen. Entsprechend der Erfindung sind Sensoren Sl und S2 an gegenüberliegenden Positionen relativ zum Gleiskörper, beispielsweise an den Masten 30 positioniert. Diese Sensoren detektieren im Wesentlichen in die gleiche Richtung.
Die Sensoren bestehen aus mehreren zellenförmig aufgebauten, passiven Infrarotelementen/PIR. Die Zeilensensoren sind waagerecht ausgerichtet und spannen einen waagerecht ausgedehnten Fächer mit Detektionskanälen 40, 50 auf.
Ein auf dem im Bild rechten Gleis befindliches Objekt 10 ist in diesem Fall eine Kuh. Das Objekt 10 wird vom Sensor S2 zunächst am äußersten Infrarotdetektor/PIR wahrgenommen, wobei dieses auf EIN schaltet. Weiterhin ist das Objekt 10 für den Sensor Sl sichtbar, jedoch nicht in dessen äußerem Infrarotdetektor, welches parallel zu dem entsprechenden Gleis detek- tiert. Im Sensor Sl wird das Objekt 10 beispielsweise in dem Detektionskanal 4 wahrgenommen. Diese zumindest doppelte Erkennung eines Objektes 10 durch den Sensor S2 und durch den Sensor Sl führt zu einer wesentlichen Signalsicherheit.
Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf einen Gleiskörper 20, der ei- ne Breite B von ca. 15 m aufweist. Dargestellt sind Sensor Sl und Sensor S2, mit einer zum Gleiskörper und damit auch zu den Gleisen symmetrischen Anordnung. Die Sensoren bestehen aus einer Mehrzahl von einzelnen Infrarotdetektoren, welche als passive Infrarot-Detektoren ausgebildet sind. Diese Zei- lensensoren sind jeweils waagerecht ausgerichtet und spannen einen im Wesentlichen waagerecht liegenden Detektions-Fächer auf. Die darin liegenden Detektionskanäle, korrespondierend zu den einzelnen Infrarot-Elementen, lassen eine laterale Ortsauflösung zu. Aus den vorhandenen Symmetriegegebenheiten lassen sich somit über beispielsweise Triangulation Abstandswerte zwischen einem Objekt und den Sensoren ermitteln.
Der normale Mastabstand D beträgt in der Regel 200 Meter.
Figur 3 zeigt eine Darstellung eines zellenförmigen Sensors in der Aufsicht, in diesem Fall mit der Nummerierungsreihen- folge entsprechend dem Sensor Sl in Figur 1. Beim durch den Sensor Sl aufgespannten Fächer ist die Nr 1 parallel zum oberen Gleis in Fig 2 ausgerichtet. Die Detektionskanäle 2 bis 6 schließen sich in Richtung auf den inneren Bereich des Gleiskörpers an.