DE102007063508A1

DE102007063508A1 - Verfahren und Anordnung zur Erfassung von Bewegungsgrößen bei einem Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102007063508A1
Application number: DE200710063508
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Dr. Hagemeyer; Olaf Dipl.-Ing. Mense
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2009-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Bewegungsgrößen bei einem Schienenfahrzeug (1) mittels Bildauswertung, wobei zeitlich aufeinanderfolgende, sich teilweise überlappende Einzelaufnahmen ausgewertet werden sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Für eine schnellere Bildauswertung ist vorgesehen, dass die Einzelaufnahmen auf ein derart schmales Band begrenzt werden, dass die Überlappung der zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelaufnahmen minimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erfassung von Bewegungsgrößen bei einem Schienenfahrzeug mittels Bildauswertung, wobei zeitlich aufeinanderfolgende, sich teilweise überlappende Einzelaufnahmen ausgewertet werden.
Für verschiedene Bahnbetriebsprozesse ist die genaue Kenntnis von Bewegungsgrößen der Schienenfahrzeuge, insbesondere Geschwindigkeit und momentane Position, unabdingbare Voraussetzung. Insbesondere Zugbeeinflussungssysteme sind auf eine hochgenaue und hochverfügbare kontinuierliche Ortung, beispielsweise auf der Basis von Geschwindigkeitsmessung und Wegerfassung, angewiesen.
Bisher wurden für die Geschwindigkeitsermittlung und die Ortung verschiedene, meist aufwendige oder in ihrem Ergebnis ungenaue Messeinrichtungen verwendet, beispielsweise Wegimpulsgeber, Radar, elektromagnetische oder optische Sensoren unter den Fahrzeugen oder GPS (Global Positioning System). Zusätzlich existieren bei einigen Systemen Möglichkeiten zur Kalibrierung, beispielsweise mittels Balisen oder Kreuzungsstellen von Linienleitern.
Ein neuer Ansatz zur Geschwindigkeitsmessung beruht auf der Korrelation zweier digitaler Bilder. Dazu dient eine Digitalkamera, welche das vorbeiziehende Medium laufend fotografiert, wobei zeitlich aufeinanderfolgende, sich teilweise überlappende Einzelaufnahmen ausgewertet werden. Diese Bildauswertung erfolgt in einem Signalprozessorsystem, insbesondere einem FPGA – Field Programmable Gate Array. Dabei werden die Pixelzeilen des ersten Bildes mit den Pixelzeilen des zweiten Bildes verglichen. Problematisch bei diesem neuartigen Verfahren ist vor allem die Komplexität aufgrund der erheblichen Größe des auszuwertenden Datenvolumens. Damit kann eine Berechnungszeit verbunden sein, die für die sicherheitsrelevante Geschwindigkeitsermittlung bei Schienenfahrzeugen zu lang ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine Anordnung zur Erfassung von Bewegungsgrößen bei einem Schienenfahrzeug anzugeben, welche eine hochgenaue und schnelle Bereitstellung der gewünschten Bewegungsgröße, insbesondere für eine Ortungsfunktionalität, ermöglichen.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die zeitlich aufeinanderfolgenden, sich teilweise überlappenden Einzelaufnahmen auf ein derart schmales Band begrenzt werden, dass die Überlappung minimiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass bereits eine optimierte Information für die weitere Bildverarbeitung zur Verfügung steht, die eine deutlich schnellere Berechnung erlaubt. Die Anzahl der Pixelzeilen, die bei jeder Einzelaufnahme vorgesehen ist, wird so weit wie möglich reduziert. Dabei muss nur gewährleistet sein, dass die Schmalheit des Bandes, d. h. die Anzahl der Pixelzeilen derart bemessen ist, dass die erste Pixelzeile einer ersten Aufnahme mit der letzten Pixelzeile einer darauffolgenden zweiten Bildaufnahme übereinstimmen kann.
Um diese Bedingung zu erfüllen, ist gemäß Anspruch 2 vorgesehen, dass die Überlappung anhand einer Maximalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und eines konstanten zeitlichen Abstandes jeweils zweier aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen festgelegt wird. Die signalprozessorisch auszuwertende Anzahl von Pixelzeilen wird so weit minimiert, dass bei jeder Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs mindestens eine Pixelzeile bei aufeinanderfolgenden Einzelaufnahmen übereinstimmt. Bei geringer werdender Geschwindigkeit besteht somit Übereinstimmung bei zunehmender Anzahl von Pixelzeilen. Letztlich kann die Optimierung bei vorgegebener Maximalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs anhand des zeitlichen Abstandes jeweils zweier aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen erfolgen.
Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass als Bewegungsgröße die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ermittelt wird, indem Verschiebungsvektoren jeweils zweier aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen ausgewertet werden. Aus den Verschiebungsvektoren ergeben sich Bewegungswerte bezüglich der Geschwindigkeit und ggf. der Beschleunigung des Schienenfahrzeugs. Diese Funktion unterstützen mehrere Standardwerkzeuge der Bildauswertung. Sie ermitteln durch Korrelation kleiner Bildbereiche eine Anzahl lokaler Verschiebungsvektoren, welche dann mit statistischen Mitteln zu einem repräsentativen globalen Verschiebungswert zusammengeführt werden. Die Verschiebungsvektoren kennzeichnen dabei den Abstand zwischen übereinstimmenden Pixelzeilen aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen. Die Geschwindigkeit wiederum kann anhand einer Zeitbasis zur Ermittlung von Ortskoordinaten, d. h. zur Ortung, verwendet werden.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kamera innerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass externe, insbesondere bodenseitige, Strukturen erfassbar sind, wobei Mittel zur Begrenzung der Einzelaufnahmen auf ein schmales Band zur Minimierung der Überlappung der zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelaufnahmen vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft bei der bildgestützten Ge schwindigkeitsermittlung ist die Anordnung der Kamera innerhalb des Schienenfahrzeugs, insbesondere in dessen Führerstand, da die Extrembelastung des Messsystems bei fahrzeugexterner Anordnung wegfällt und somit den anspruchsvollen eisenbahnspezifischen Anforderungen besser entsprochen werden kann. Der Einfluss äußerer Umgebungsbedingungen, insbesondere hinsichtlich Witterung, Schmutz und Temperatur, wird minimiert.
Zur Begrenzung der Einzelaufnahmen auf ein möglichst schmales Band sind gemäß Anspruch 5 entsprechende Schlitzblenden und/oder Kameralinsenformen vorgesehen. Die Anordnung ist dabei vorzugsweise derart getroffen, dass die Kamera bei Anordnung im oberen Winkel der Sichtscheibe des Führerstandes des Schienenfahrzeuges einen mehrere Meter umfassenden Abschnitt seitlich vor dem Schienenfahrzeug am Boden erfassen kann.
Um auch bei sehr schlechten Witterungsverhältnissen und extremer Dunkelheit auswertbare Bilder zur Verfügung zu haben, wird gemäß Anspruch 6 eine Digitalkamera mit einer Infrarotkamera kombiniert. Wegen der geschützten Anordnung der Sensorik ist eine kostengünstige Realisierung auch bei Verwendung mehrerer Sensoren möglich, wobei eine noch weiter erhöhte Verfügbarkeit erreichbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer figürlichen Darstellung näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Messszenario mit einer Kameraanordnung.
Dargestellt ist ein Schienenfahrzeug 1, das ein Gleis 2 befährt. Hinter einer Sichtscheibe 3 im Führerstand des Schienenfahrzeugs 1 ist eine Kameraanordnung 4, bestehend aus einer Digitalkamera und einer Infrarotkamera, angeordnet. Die Kombination aus Kameras unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeiten ist erforderlich, um die bei der Digitalkamera auftretenden Ungenauigkeiten bei schlechten Witterungsverhältnissen und bei Dunkelheit auszugleichen. Eine Kameraoptik 5 erfasst einen mehrere Meter breiten Streifen seitlich vor dem Schienenfahrzeug 1 am Boden im Gleisbereich und außerhalb desselben. Ein angeschlossener Signalprozessor 6 führt eine Autokorrelationsanalyse durch, wobei die durchlaufenden Muster der speziellen lokalen Strukturen des aufgenommenen Bildes hinsichtlich Geschwindigkeit und zurückgelegtem Weg ausgewertet werden. Der aufgenommene Streifen wird von der Kameraanordnung 4 auf ein schmalstmögliches Band mit wenigen Pixelzeilen komprimiert. Somit wird eine bereits optimierte Information erzeugt, durch die der Signalprozessor 6 entlastet wird. Letztlich ergibt sich eine schnellere Berechnung der Geschwindigkeit bzw. der Ortskoordinaten. Zusätzlich können spezielle Filtermechanismen zur Ausblendung aktueller Witterungseinflüsse, insbesondere Regen und Schnee, vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Bewegungsgrößen bei einem Schienenfahrzeug (1) mittels Bildauswertung, wobei zeitlich aufeinanderfolgende, sich teilweise überlappende Einzelaufnahmen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelaufnahmen auf ein derart schmales Band begrenzt werden, dass die Überlappung minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung anhand einer Maximalgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) und eines konstanten zeitlichen Abstandes jeweils zweier aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewegungsgröße die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs (1) ermittelt wird, indem Verschiebungsvektoren jeweils zweier aufeinanderfolgender Einzelaufnahmen ausgewertet werden.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kamera innerhalb des Schienenfahrzeugs (1) angeordnet und derart ausgerichtet ist, dass externe, insbesondere bodenseitige, Strukturen erfassbar sind, wobei Mittel zur Begrenzung der Einzelaufnahmen auf ein schmales Band zur Minimierung der Überlappung der zeitlich aufeinanderfolgenden Einzelaufnahmen vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Schlitzblende und/oder Kameralinsenform realisiert sind.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Digitalkamera und eine Infrarotkamera vorgesehen sind.