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Title:
METHOD AND DEVICE FOR ON-BOARD POSITION DATA CAPTURING IN A RAIL VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/082091
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for on-board position data capturing in a rail vehicle (1) protected in a radio-based train protection system by means of access points provided along the tracks. In order to be able to provide accurate position data capturing, in particular for calibrating odometric systems, at short and substantially even intervals, the invention proposes that the position of the access points is detected by means of a sensor system. In addition, the rail vehicle (1) has, connected to a measuring and evaluation device, at least one transmitting/receiving device (2) for detecting the positions of the access points.

Inventors:
BLEIDORN DIRK ERNST (DE)
Application Number:
EP2014/070252
Publication Date:
June 11, 2015
Filing Date:
September 23, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B61L3/12; B61L25/02
Domestic Patent References:
WO2003027706A12003-04-03
WO2010018529A12010-02-18
WO1996033899A11996-10-31
WO2010060796A12010-06-03
WO1996016857A11996-06-06
Foreign References:
DE102010027131A12012-01-19
DE3200811A11983-07-21
DE3106629C21986-09-25
EP0593910A11994-04-27
EP1300316B12007-01-24
DE19532104C11997-01-16
US5129605A1992-07-14
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung bei einem mittels streckenseitiger Access Points funkzugbeein- flussten Schienenfahrzeug (1) ,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Positionen der Access Points sensorisch detektiert werden . 2. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

bei Annäherung an den nächsten Access Point eine fahrzeugsei - tige Sende-/Empfangseinrichtung (2), die mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstär- ke/Zeit-Kurve verbunden ist, aktiviert wird, wobei ein bei Fahrzeugpassage des Access Points resultierendes Signalstärkemaximum detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 ,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

ein Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems die fahr- zeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung und die Mess- und Auswerteeinrichtung anhand eines Streckenatlas zeitgerecht aktiviert .

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die zeitlichen Abstände der punktuellen Messungen in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die detektierte Position zur Kalibrierung odometrischer Systeme verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schienenfahrzeug (1) mindestens eine mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung verbundene Sende-/Empfangseinrichtung (2) zur Detektion der Position der Access Points aufweist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstärke/Zeit-Kurve ausgebildet ist und mit einem Streckenatlas zur Positionszuordnung verbunden ist, wobei der Streckenatlas Access Point-spezifische Kennungen und/oder Parameter enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des ein Signalstärkemaximum enthaltenden Messintervalls anhand nachfolgender Messpunkte geringerer Signalstärke ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Genauigkeitsintervalls um das Signalstärkemaximum in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem zeitlichen Abstand der punktuellen Messungen ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Interpolation oder Berechnung eines Signalstärkemaximum anhand der Signalstär- ke/Zeit-Kurve ausgebildet ist.

Description:
Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung bei einem Schienenfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung bei einem mittels streckenseitiger Access Points funkzugbeeinflussten Schienenfahrzeug sowie eine diesbezügliche Vorrichtung.

Moderne Zugbeeinflussungssysteme für Light Rail Trains und Metros basieren auf einem CBTC - Communication Based Train Control - System, bei dem für die Datenkommunikation ein funkbasiertes Übertragungssystem, typischerweise WLAN nach IEEE 802.11, verwendet wird. Dabei sind streckenseitig stationäre Sende- und Empfangseinrichtungen, die als Access Points bezeichnet werden, und fahrzeugseitige Sende/Empfangseinrichtungen vorgesehen . Um den Abstand zwischen zwei Zügen auf ein sicheres Minimum zu regulieren, werden in kurzen Zeitabständen Daten zur aktuellen Position, Geschwindigkeit sowie andere Daten von dem Schienenfahrzeug an den nächsten Access Point gesendet. Diese Daten werden von den Access Points an eine Zentrale weiterge- leitet, welche daraus unter anderem Ansteuersignale für Streckenelemente, beispielsweise Balisen, Weichen, Signale und Bahnübergänge, sowie Vorgaben für die einzelnen Schienenfahrzeuge ableitet. Die Vorgaben für die Schienenfahrzeuge betreffen insbesondere Geschwindigkeits- oder Fahrkurvendaten, welche üblicherweise über Balisen und/oder Access Points an die Schienenfahrzeuge übertragen werden. Die Zentrale benötigt dazu die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs in sehr engen Toleranzgrenzen. Zur fahrzeugseitigen Positionsdatenerfassung werden üblicherweise in Abständen signaltechnisch sicher erfassbare Positionsdaten als Referenzpunkte verwendet, zwischen denen signal- technisch nicht sichere Bewegungssensoren, zum Beispiel Odometer oder Dopplerradar, eingesetzt werden. Folgende Streckenelemente werden häufig zur Positionsdatenerfassung der Referenzpunkte verwendet :

- Ortsmarkierungen, zum Beispiel Balisen oder Transponder (DE 32 00 811 AI) ,

- Koppelspulen (DE 31 06 629 C2) ,

- Gleismagnete,

- Linienleiterschleifen (EP 0 593 910 AI) ,

- Einspeisepunkte von Gleisstromkreisen (WO 96/16857 AI) sowie

- Weichen im Zusammenwirken mit fahrzeugseitigen Wirbel - Stromsensoren .

Die Abstände zwischen den sehr genau ermittelbaren Referenz - punkten sind jedoch häufig derart groß, dass der Messfehler zwischen den Referenzpunkten die Toleranzgrenze überschreiten kann. Nachteilig ist darüber hinaus vor allem die Unterschiedlichkeit der als Referenzpunkte fungierenden Streckenelemente, so dass je nach vorhandener Streckenausrüstung sehr unterschiedliche und teilweise aufwendige Messverfahren verwendet werden müssen. Um die erforderliche Genauigkeit der absoluten Positionsdaten, die als Referenzpunkte für die Zwischeninterpolation dienen, zu erreichen, werden gemäß der EP 1 300 316 Bl zwei verschiedene Messverfahren und gemäß der DE 195 32 104 C2 sogar drei verschiedene Messverfahren miteinander korreliert.

Zur kontinuierlichen Ermittlung der absoluten Position des Schienenfahrzeuges, bei der eine Interpolation zwischen Refe- renzpunkten nicht erforderlich ist, ist die Verwendung satellitengestützter Verfahren bekannt, wie beispielsweise in der US 5,129,605 beschrieben. Die erreichbare Genauigkeit ist jedoch begrenzt und häufig nicht ausreichend. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art anzugeben, die in geringeren und gleichmäßigeren Abständen eine sehr genaue Positionsdatenerfassung ermöglichen. Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Positionen der Access Points sensorisch detektiert werden. Die Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 6 dadurch gelöst, dass das Schienenfahrzeug mindestens eine mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung verbundene Sende-/Empfangseinrichtung zur Detektion der Positionen der Access Points aufweist. Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Access Points in geringen und annähernd gleichmäßigen Abständen von üblicherweise 200 m bis 300 m entlang der Strecke installiert sind. Damit ergibt sich zum Beispiel gegenüber typischen

Balisenabständen eine häufigere und äquidistantere Positions- datenerfassung für das Schienenfahrzeug. Außerdem ist eine sehr effiziente Implementierung unter Nutzung vorhandener Infrastruktur möglich. Die Positionen der Access Points sind sehr genau bekannt. Zusätzliche Referenzpunkte herkömmlicher Art sind nicht mehr notwendig oder können entfallen. Die Ac- cess Points eignen sich hervorragend als Referenzpunkte, da deren gegenseitiger Abstand im Allgemeinen weniger als 300 m beträgt .

Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass bei Annäherung an den nächsten Access Point eine fahrzeugseitige Sende-

/Empfangseinrichtung, die mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstärke/Zeit- Kurve verbunden ist, aktiviert wird, wobei ein bei Fahrzeugpassage des Access Points resultierendes Signalstärkemaximum detektiert wird. Dazu ist gemäß Anspruch 7 vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur punktuellen Messung einer Signalstärke/Zeit-Kurve mit einem Streckenatlas zur Positionszuordnung verbunden ist, wobei der Streckenatlas Access Point-spezifische Kennungen und/oder Parameter enthält. Da die Sende-/Empfangseinrichtungen sowohl fahrzeugseitig als auch streckenseitig üblicherweise gerichtete Antennen zur Datenkommunikation aufweisen, steigt die empfangene Signalstärke bei Annäherung an den Access Point stetig an und nach der Fahrzeugpassage steil ab. Dadurch resultiert ein deutliches SignalStärkemaximum, das mittels des Streckenatlas eine Positionsbestimmung ermöglicht. Der Streckenatlas enthält dazu die Kennungen der nacheinander folgenden Access Points, bei- spielsweise deren MAC-Adresse. Alternativ oder zur

Plausibilisierung kann der Streckenatlas zusätzliche Parameter des Access Points enthalten. Dabei kann es sich beispielsweise um Besonderheiten der ansteigenden und/oder der abfallenden Flanke der Signalstärke/Zeit-Kurve oder um Codie- rungen sowie zusätzliche aufmodulierte Informationen handeln. Im Endeffekt kann, gegebenenfalls durch Datenfusion mit weiteren Navigations-Stützgrößen ein vitales und sicheres Navigationssystem realisiert werden. Der Streckenatlas kann gemäß Anspruch 3 auch genutzt werden, um ein Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems zu befähigen, die fahrzeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung zeitgerecht zu aktivieren. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass das Fahrzeuggerät, häufig auch On Board Unit - OBU ge- nannt, die Position des nächsten Access Points aus dem Streckenatlas, häufig auch Track Data Base genannt, kennt und somit kurz vor dem Erreichen dieses Access Points die wiederholte punktuelle Messung der Signalstärke/Zeit-Kurve anstoßen kann. Prinzipiell ist auch eine ununterbrochene Signalstärke- messung mit einer Mindestmessrate oder quasi stetig möglich. Dabei ist jedoch zu beachten, dass durch die Doppelnutzung der fahrzeugseitigen Sende/Empfangseinrichtung, deren eigentliche Funktion, nämlich zur Informationsübertragung zwischen Strecke und Schienenfahrzeug, nicht beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise ist gemäß Anspruch 4 vorgesehen, dass die zeitlichen Abstände der punktuellen Messungen, das heißt die Messung der Wertepaare [Signalstärke; Zeit] in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert werden. Auf diese Weise kann die geschwindigkeitsabhängige Mindestrate der Messungen, die bei hohen Geschwindigkeiten im Millisekundenbereich liegt, derart eingestellt werden, dass sich ein hinsichtlich der Lage des Signalstärkemaximums möglichst exakt auswertbarer Verlauf der Signalstärke/Zeit-Kurve ergibt.

Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass die detektierte Positi- on zur Kalibriering odometrische Systeme verwendet wird. Der typische Driftfehler und andere Messfehler bei

Odometriesystemen zur Weg- und Geschwindigkeitsermittlung werden durch die häufige und in annähernd gleichen Wegabständen erfolgende Korrektur mittels der Kalibrierung unterhalb eines Grenzwertes gehalten. Die funktechnisch ermittelte

Fahrzeugposition kann dabei zumindest als Hilfsreferenzpunkt dienen, um die Fahrzeugposition mittels der Access Points möglichst oft nachzujustieren, vorausgesetzt, dass der

Odometriefehler, beispielsweise durch Radschlupf beim Bremsen und Beschleunigen, größer als der Positionsfehler des Hilfsreferenzpunktes eingeschätzt werden muss. Anstelle

odometrischer Messverfahren zur Geschwindigkeitsermittlung können bei analoger Betrachtungsweise auch jegliche andere Verfahren, beispielsweise mittels Dopplerradar, verwendet werden. Die Messgenauigkeit des Dopplerradars hängt dabei insbesondere von Umweltbedingungen, beispielsweise Niederschlägen, ab, so dass die Nachkalibrierung in Abhängigkeit von Umweltbedingungen mehr oder weniger häufig erfolgen muss. Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des das Signalstärkemaximum enthaltenden Messintervalls anhand nachfolgender Messpunkte geringerer Signalstärke ausgebildet ist. Dazu ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Genauigkeitsintervalls um das Signalstärkemaximum in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem zeitlichen Abstand der punktuellen Messungen ausgebildet ist. Das Messintervall entspricht dabei einem Genauigkeitsintervall, das größer ist als das eines üblichen Referenzpunktes, beispielsweise einer Baiisenposition. Geht man von einem Access Point-Abstand von 200 m bis 300 m aus, ist aber spätestens am zweiten Access Point nach einem Balisen-Referenzpunkt das mittels des Access Points ermittelte Genauigkeitsintervall kleiner als das durch die Messunge- nauigkeit sich ständig vergrößernde Ortsintervall bei

odometrischer Messung. Somit können auf der Basis von Access Points ermittelte Genauigkeitsintervalle als Hilfsreferenzpunkte dienen, so dass auf die Installation zusätzlicher, nur zur Positionsmessung vorgesehener Balisen oder anderer Positionsmesssysteme verzichtet werden kann. Die Genauigkeit der Positionsermittlung auf der Basis von Access Point-Positionen kann gemäß Anspruch 10 dadurch verbessert werden, dass die Mess- und Auswerteeinrichtung zur Interpolation oder Berechnung des Signalstärkemaximums anhand der Signalstärke/Zeit-Kurve ausgebildet ist. Auf diese Weise wird das Messintervall, das gemäß Anspruch 8 das Signalstärkemaximum enthält, quasi bis auf die genaue Position des Signalstärkemaximums verkleinert. Unter der Annahme, dass die ansteigende und die absteigende Flanke der Signalstärke/Zeit- Kurve nur geringfügig oder nicht gekrümmt sind, kann das Sig- nalStärkemaximum als Schnittpunkt der beiden Graphen der ansteigenden und der abfallenden Flanke der Signalstärke/Zeit- Kurve berechnet werden. Die auf diese Weise sehr genau ermittelten Positionsdaten können nicht nur als Hilfsreferenzpunkt zwischen zwei Baiisenpositionen dienen, sondern als vollwer- tiger Referenzpunkt, der als Stützgröße oder Wegnormale eine besonders exakte Kalibrierung ermöglicht, wodurch die

odometrische Überwachung der erlaubten Geschwindigkeit und der Fahrzeugposition, insbesondere an Gefahrenpunkten, verbessert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 Funkfelder bei Vorbeifahrt an einem Ac- cess Point und Figur 3 einen typischen Signalstärkeverlauf des

Access Point-Signals bei Vorbeifahrt eines Schienenfahrzeuges . Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen schematisch ein Schienenfahrzeug 1, an dessen Spitze eine Sende-

/Empfangseinrichtung 2 mit einer Richtantenne angeordnet ist. Streckenseitig sind in bestimmten Abständen Access Points angeordnet, die mit Sende- und Empfangseinrichtungen 3 ausge- stattet sind, welche ebenfalls Richtantennen aufweisen. Die beiden Richtantennen emittieren Funkfelder 4 und 5, welche sich bei Annäherung der Sende-/Empfangseinrichtung 2 des Schienenfahrzeuges 1 an die Sende- und Empfangseinrichtung 3 des Access Points überschneiden, wie Figur 1 zeigt.

Wie aus Figur 2 ersichtlich, nimmt die Überschneidung ab einer bestimmten Position des Schienenfahrzeuges 1 nahe dem Access Point rapide ab. Eine typische Signalstärke/Zeit-Kurve, die an der Sende- /Empfangseinrichtung 2 des Schienenfahrzeuges 1 zumindest punktuell, das heißt als Signalstärke/Zeit-Wertepaare, registriert wird, zeigt Figur 3. Dieser Signalstärkeverlauf wird schienenfahrzeugseitig ausgewertet, um aufgrund der bekannten Position des Access Points auf die Position des Schienenfahrzeuges 1 zu schließen. Es ist ersichtlich, dass die empfangene Signalstärke in der Nähe des Access Points stetig ansteigt und kurz bevor das Schienenfahrzeug 1 den Access Point passiert nach einem Signalstärkemaximum bei Punkt D steil ab- fällt. Zur Positionsbestimmung des Schienenfahrzeuges und zur Kalibrierung anderer Positionserfassungssysteme, beispielsweise odometrischer Systeme, die zwischen den Access Points verwendet werden, wird das nachfolgend beschriebene Verfahren genutzt .

Ein Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflussungssystems kennt die Position des nächsten Access Points aus seinem Streckenatlas und stellt kurz vor dem Erreichen des Access Points an Punkt A einen Location Request mit der MAC-Adresse oder einer anderen eindeutigen Identifizierung des streckenseitigen Access Points und der aktuellen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges 1 an die fahrzeugseitige Sende-/Empfangseinrichtung 2. Diese „pingt" ab Punkt B den Access Point im Abstand von Millisekunden periodisch an, um eine geschwindigkeitsabhängige Mindestrate von Messpunkten der empfangenen Signalstärke zu garantieren. Eine Mess- und Auswerteeinrichtung, die mit der fahrzeugseitigen Sende-/Empfangseinrichtung 2 verbunden ist, misst an den Punkten C und E die Signalstärke. Störeffekte, zum Beispiel Mehrwegausbreitungen und Abschattungen, können im Nahbereich des Access Points ausgeschlossen werden. An den Punkten E werden zwei aufeinander folgende Messungen mit stark fallender Signalstärke registriert, so dass zeitlich zwischen der drittletzten und der vorletzten Messung von der Vorbeifahrt der Fahrzeugspitze am Access Point bei Punkt D ausgegangen werden kann. Die Mess- und Auswerteeinrichtung ermittelt dann aus der aktuellen Geschwindigkeit und der verstrichenen Zeit seit der vorletzten Messung einen richtungs- spezifischen Abstand zum Access Point-Vorbeifahrtspunkt D und aus dem Zeitintervall zwischen der drittletzten und der vorletzten Messung ein Ortsintervall für den Vorbeifahrtspunkt D. Das ermittelte Ortsintervall, auch als Location Reply bezeichnet, wird an das Fahrzeuggerät des Funkzugbeeinflus- sungssystems übermittelt, wobei das Fahrzeuggerät dieses

Ortsintervall zur Kalibrierung odometrischer oder anderer ungenauerer Weg- und/oder Geschwindigkeitsmesssysteme zwischen den Access Points verwendet.