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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Positionsgenauigkeit eines bewegten Objektes, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, an einem vorgegebenen Haltepunkt.
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Für moderne Transportsysteme, beispielsweise automatische Nahverkehrszüge oder Metrosysteme mit Bahnsteigtüren, ist eine Mindesthaltegenauigkeit des Zuges bei der Anfahrt eines Haltepunkts erforderlich, sodass zum Beispiel ein Fahrgastwechsel über sich hinreichend genau gegenüberliegende Zugtüren und Bahnsteigtüren ermöglicht wird.
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Zur Erzielung der Mindesthaltegenauigkeit sind verschiedene technische Lösungen denkbar. So können beispielsweise sogenannte Balisen oder andere Signalübertragungseinrichtungen im Gleis oder in Gleisnähe verlegt werden. Dabei werden die Balisen während der Anfahrt des Haltepunkts durch am Zug angebrachte Antennenvorrichtungen ausgelesen, was in Verbindung mit einer Signalverarbeitung im Fahrzeuggerät sowie einer Schnittstelle zur Antriebssteuerung des Zuges, zum Beispiel mittels einem Regelkreis mit derselben, die Mindesthaltegenauigkeit hinreichend zuverlässig ermöglicht. Diese Signalverarbeitung ist typischerweise Teil einer Zugbeeinflussungs- beziehungsweise Zugsteuerungslösung.
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Aufgrund der vergleichsweisen großen Fahrzeugmasse und den begrenzten Möglichkeiten der Fahr- und Bremssteuerung, verbunden mit der Dynamik bei der Anfahrt und dem Abnutzungsverhalten der beteiligten Einheiten, kann lediglich eine Positions- bzw. Positionsgenauigkeit im Bereich von einigen Dezimetern erreicht werden. Im praktischen Betrieb wird daher die erforderliche Mindesthaltegenauigkeit nicht in allen Fällen erreicht. Wird das Haltefenster nicht getroffen, so erfolgt üblicherweise ein manuell gesteuertes Zurücksetzen des Zuges und eine erneute Anfahrt des Haltepunkts.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die unter Vermeidung der genannten Nachteile eine verbesserte Positionsgenauigkeit (Haltegenauigkeit) beim Anfahren eines Haltepunkts ermöglichen.
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Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass zur Erhöhung der Positionsgenauigkeit eines bewegten Objektes, insbesondere eines Schienenfahrzeuges, an einem vorgegebenen Haltepunkt im Anschluss an einen ersten Halt des Objektes eine Abweichung zwischen einer Istposition und einer Sollposition mittels einer streckenseitigen und einer objektseitigen Antennenanordnung ermittelt wird. Anhand dieser Abweichung erfolgt eine Neupositionierung des Objektes, wobei die Istposition korrigiert wird.
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Die Vorrichtung umfasst insbesondere eine streckenseitige und eine objektseitige Antennenanordnung sowie eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit schaltungs- und/oder programmiertechnisch dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung umfasst zudem zweckmäßigerweise einen Energiespeicher.
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Die Steuereinheit ist in einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem ein das Verfahren automatisch durchführendes Steuerprogramm implementiert ist. Die Steuereinheit kann alternativ aber auch zum Beispiel durch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet sein. Bevorzugterweise ist die Steuereinheit Teil eines Automatic Train Control(ATC)-Moduls.
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Durch die Erfassung der Abweichung und der daraus abgeleiteten Neupositionierung des Objektes wird die Positions- bzw. Haltegenauigkeit des Objektes am Haltepunkt einfach und kostengünstig verbessert. Bevorzugterweise versendet die streckenseitige Antennenanordnung ein Haltepunktsignal, welches von der objektseitigen Antennenanordnung als Signal zum Halten empfangen wird. Anhand der ermittelten Signalstärkeverteilung der ausgesendeten Signale ist von der Steuereinheit, beispielsweise nach Art einer Laufzeitmessung, die Abweichung ermittelbar.
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Um sicherzustellen, dass die Abweichung besonders genau ermittelt wird, wird in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens zur Ermittlung der Abweichung die objektseitige Antennenanordnung bewegt. Alternativ können die fahrzeugseitige oder beide Antennenanordnungen bewegt werden. Insbesondere wird während einer Bewegung der Antennenanordnung eine Signalwertverteilung der ausgesendeten Signale erfasst, woraus – insbesondere anhand eines Maximumwerts – die Abweichung ermittelt wird. Hierzu ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die objektseitige Antennenanordnung zum Beispiel oben an einem Dach des Objektes angeordnet und elektromotorisch entlang der Objektlängsrichtung bewegbar. Durch die bewegliche Anordnung der objektseitigen und/oder streckenseitigen Antennenanordnungen beziehungsweise einer Einzelantenne und die Möglichkeit, die bewegliche Antennenanordnung durch Motoren, insbesondere Elektromotoren, in Richtung der Objektlängsrichtung beziehungsweise in Objektbewegungsrichtung zu verschieben, wird ein zusätzlicher Regelkreis implementiert.
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Herkömmlicherweise stehen die Antennenanordnungen bei konventionell erreichter Positionsgenauigkeit lediglich annähernd in miteinander fluchtender Position. Aufgrund der vergleichsweise exakten gewünschten Positionierung der beiden Antennenanordnungen oder Antennen zueinander in Folge der Bewegung ist eine vergleichsweise genaue Feststellung der Abweichung des Objektstandorts (Istposition) vom vorgesehenen Haltepunkt (Sollposition) ermöglicht. Durch die (im Vergleich zum Objekt typischerweise) deutlich kleinere Masse der zu verschiebenden Objekte (Antennenanordnungen) ist somit eine besonders einfache und kostengünstige Ermittlung und auch die Erhöhung der Positionsgenauigkeit realisiert.
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Mit anderen Worten wird der Weg, um den die Antennen bewegt werden, als ein Maß für die Abweichung zwischen der Istposition und der Sollposition herangezogen. Nach der Bewegung der Antennenanordnung wird das Objekt in die gleiche Richtung wie die Antennenanordnung bewegt. Die Länge der Bewegung entspricht dabei dem Verstellweg der Antennenanordnung.
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Die Auslegung der Antennenanordnung und der verwendeten Signale erfolgt bevorzugterweise derart, dass bei konventionell erreichter Haltetoleranz beim ersten Halt eine (gegebenenfalls schwache) Kopplung der Antennenanordnungen eintritt und die Signalverarbeitung des Haltepunksignals eine Feinjustierung der beweglichen Antennenanordnung durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektromotoren ermöglicht. Die Ortungsgenauigkeit bei der Ermittlung der Abweichung ist durch geeignete Wahl der Antennengröße und/oder Antennenbauform in Verbindung mit der gewählten Frequenz und sonstigen Signaleigenschaften weiter erhöhbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels der streckenseitigen Antennenanordnung ein moduliertes Funksignal an die objektseitige Antennenanordnung versendet. Durch eine geeignete Modulation der gesendeten Funksignale ist die Bewegungsrichtung des Objektes anhand der entsprechenden empfangenen Funksignale bestimmbar.
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Zusätzlich oder alternativ umfasst die streckenseitige und/oder objektseitige Antennenanordnung in einer ebenso vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung eine Anzahl von benachbarten Einzelantennen, wobei die Einzelantennen der streckenseitigen Antennenanordnung Funksignale mit unterschiedlichen Signaleigenschaften, insbesondere unterschiedlicher Frequenz, zur Erkennung der Objektbewegungsrichtung versenden. Dadurch ist beispielsweise feststellbar, ob das Objekt den (ersten) Halt vor oder hinter dem Haltepunkt erreicht hat. Durch die somit verbesserte erreichbare Positionierung der Antennenanordnungen wird der Versatz der ursprünglichen Anfahrt genauer messbar und kann somit besser genutzt werden, um die Positionsgenauigkeit beziehungsweise die betriebliche Zuverlässigkeit eines korrekten Halts zu verbessern.
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Geeigneterweise wird die erfasste Abweichung nach der Neupositionierung hinterlegt. Diese Abweichung kann bei einem erneuten Halt des Objekts an derselben Stelle zu einem späteren Zeitpunkt, also bei einem zweiten Halt, berücksichtigt werden, indem das Objekt zum Beispiel stärker abgebremst oder der Bremsvorgang um eine der Abweichung entsprechende Strecke versetzt früher oder später begonnen wird.
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Zweckmäßigerweise wird der Abstand für jeden neuen Haltevorgang individuell als korrigierter Haltewert verwendet. Diese Weiterbildung trägt insbesondere dem Umstand Rechnung, dass sich beispielsweise die Bremsleistung einer Objektbremse, infolge von Alterung oder Abnutzung der Bremsvorrichtungen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, mit der Zeit ändern kann. Die Kenntnis der Abweichung kann somit objektseitig genutzt werden, um den Positionierungsfehler durch eine Korrektur der Objektposition über die Fahr- und Bremssteuerung im Voraus zu verringern.
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In einer geeigneten Weiterbildung wird die ermittelte Abweichung einem Objektbediener auf einer Anzeige dargestellt. Dadurch ist eine manuelle Neupositionierung mittels eines Objektbedieners vorteilhaft erleichtert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst die Steuereinheit der Vorrichtung ein Positionierungsmodul zur automatischen Neupositionierung anhand der Abweichung des ersten Halts oder unter Berücksichtigung des hinterlegten Haltewerts eines früheren Haltevorgangs. Dadurch wird eine Verbesserung des Gesamtsystemverhaltens aufgrund einer Erhöhung der Positionsgenauigkeit beziehungsweise der Trefferquote für das Haltegenauigkeitstoleranzfenster in der betrieblichen Praxis erreicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Tatsache genutzt, dass durch die verbesserte Genauigkeit der Gegenüberstellung der Antennenanordnungen eine Voraussetzung für eine effiziente drahtlose Energieübertragung von der Strecke zum Objekt geschaffen ist. Hierzu wird nach einer Neupositionierung ein Ladevorgang gestartet, bei dem ein zur Energieübertragung geeignetes Induktionssignal von der streckenseitigen Antennenanordnung an die objektseitige Antennenanordnung versendet wird. Die dadurch übertragene Ladeenergie wird in einem Energiespeicher des Objektes gespeichert.
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Die Energieübertragung kann vorteilhafterweise über die gleichen Antennenanordnungen beziehungsweise Einzelantennen erfolgen, indem das Regelsystem nach erreichter Neupositionierung abgeschaltet wird, und das zur Energieübertragung erforderliche Induktionssignal in die streckenseitige Antennenanordnung eingeprägt wird. Durch eine geeignete Frequenzwahl und Antennencharakteristik ergibt sich eine effiziente Übertragung der Energie von der Strecke zum Objekt, wo die Energie im Energiespeicher gespeichert wird. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass die gegenüberpositionierten Antennenanordnungen für eine Datenübertragung zwischen Objekt und Strecke genutzt werden.
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In der bevorzugten Anwendung handelt es sich bei dem zu haltenden Objekt um ein Schienenfahrzeug, welches mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt ist. Hierdurch ist ein exakteres Anfahren des vorgesehenen Haltepunkts, zum Beispiel in einem Bahnhofsbereich, ermöglicht. Hierzu weist das Schienenfahrzeug beispielsweise stirnseitig eine Antennenanordnung zum Empfang von streckenseitigen RFID(Radio Frequency Identification)-Signalen, beispielsweise eines RFID-Tags, als Führungsgröße zur Anfahrt. Bevorzugterweise umfasst die fahrzeugseitige Antennenanordnung ein RFID-Lesegerät, und die streckenseitige Antennenanordnung umfasst insbesondere einen oder mehrere entsprechende RFID-Transponder. Grundsätzlich kann das Verfahren und/oder eine entsprechende Vorrichtung aber auch für eine Anzahl weiterer Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein bewegtes Objekt an einem bestimmten Haltepunkt zum Stillstand kommen soll, beispielsweise bei einer Materialzuführung eines Produktionsprozesses.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein Schienenfahrzeug nach erfolgter Anfahrt in einem Bereich einer streckenseitig montierten Antennenanordnung, und
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2 ein Schienenfahrzeug nach 1 mit einem Positionierungsmodul und einem Energiespeicher.
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1 stellt vereinfacht den Aufbau und die Funktionsweise einer Vorrichtung 2 zur Erhöhung der Positions- oder Haltegenauigkeit eines Schienenfahrzeugs 4 an einem Haltepunkt H mit drei streckenseitigen Antennen, insbesondere Richtantennen, einem Antennenarrayoder RFID-Transpondern 6a, 6b und 6c dar. Die Antennen (Sendeantennen) 6a, 6b und 6c werden mit hochfrequenten, modulierten Signalen Sa, Sb und Sc als Pilotsignale beaufschlagt. Der ideale Haltepunkt H ist in dieser Ausführung insbesondere direkt unter der Antenne 6b.
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Eine den streckenseitigen Sendeantennen 6a, 6b und 6c zugewandte Empfangsantenne (bzw. ein RFID-Reader oder -Lesegerät) 8 ist im Dachbereich des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet. Die von der Antenne 8 empfangenen Informationen der Signale Sa, Sb und Sc werden als ein Empfangssignal Se an eine Steuereinheit 10 gesendet. Die streckenseitigen Antennen 6a, 6b und 6c erzeugen kontinuierlich und drahtlos die Signale Sa, Sb und Sc als elektromagnetische Hochfrequenzfelder mit geringer Reichweite. Die von unterschiedlichen Antennen 8 empfangenen Signalpegel, die durch Frequenz oder Modulationsunterschiede einfach zu trennen sind und bei geeigneter Richtcharakteristik der Antennen 6a, 6b, 6c sehr prägnante Signalverläufe produzieren, werden ausgewertet und vom Schienenfahrzeug 4 als Abstandsäquivalent und Führungsgröße zur Annäherung an den vorgegebenen Haltepunkt H herangezogen.
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Bei einem Einfahren des Schienenfahrzeugs in den Bereich der Hochfrequenzfelder nimmt die Signalintensität der empfangenen RFID-Informationen zunächst zu und bei einem Herausfahren wieder ab. Anhand der registrierten Signalintensitätsverteilung beziehungsweise mittels Vergleich der registrierten Signalintensität mit dem Maximumwert ist mittels der Steuereinheit 10 die Abweichung A zwischen einer Istposition I vom idealen Haltepunkt H bestimmbar. Die Steuereinheit 10 berechnet und überwacht somit den ermittelten Haltevorgang anhand des abstands- und/oder geschwindigkeitsspezifischen Empfangssignals Se.
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Bei einem ersten Halt des Schienenfahrzeugs 4 – im Anschluss an eine Anfahrt an den Haltepunkt H – wird das Schienenfahrzeug 4 anhand des ausgewerteten Empfangssignals Se angehalten. Hierbei können mitunter kleine Abweichungen von der idealen Halteposition H, beispielsweise aufgrund von Witterung oder Abnutzungserscheinungen der Bremsen, entstehen. Um diese Abweichungen A zu kompensieren, wird das Empfangssignal Se nach dem ersten Halt genutzt, um die relative Antennenposition zwischen den Antennen 6a, 6b, 6c und der Empfangsantenne 8 zu ermitteln. Aufgrund der ermittelten, vorhandenen Abweichung A versendet die Steuereinheit 10 ein Steuersignal Sm an einen Elektromotor 12.
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Die Antenne 8 ist entlang der Fahrzeuglängsrichtung L verschiebebeweglich gelagert und mittels des Elektromotors 12 entlang einer Bewegungsstrecke B verschiebbar. Während eines Verschiebens der Antenne 8 wird das Empfangssignal Se kontinuierlich von der Steuereinheit 10 ausgewertet. Anhand der registrierten Signalintensität wird der Elektromotor 12 derart gesteuert, dass sich die Antennen 8 und 6b im Wesentlichen gegenüberstehen. Eine mit dem Elektromotor 12 gekoppelte Messeinrichtung 14 erfasst den Verschiebeweg Spos während des Verschiebens, beispielsweise durch eine Ripple-Counting-Messung des Motorstroms, und versendet die Informationen an eine Anzeigeeinheit 16, die ein manuelles Neupositionieren des Schienenfahrzeugs 4 für einen Bediener 18 erleichtert.
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In 2 ist ein automatisches Schienenfahrzeug 4 mit einem Positionierungsmodul 20 und einem Energiespeicher 22 dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 wird der erfasste Verschiebeweg Spos an das Positionierungsmodul 20 übermittelt. Das Positionierungsmodul 20 sendet ein Positionierungssignal Sp an die Steuereinheit 10 zur automatischen Neupositionierung des Schienenfahrzeugs 4 anhand des Verschiebewegs Spos. Die Steuereinheit 10 ist in dieser Ausführung insbesondere ein ATC-Modul des Schienenfahrzeugs 4 und mit der Fahrzeugsteuerung gekoppelt.
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Der Verschiebeweg Spos wird als ein Korrekturfaktor in der Steuereinheit 10 für einen nächsten Haltevorgang hinterlegt. Dadurch wird insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass sich beispielsweise die Bremsleistung des Fahrzeugs infolge Alterung oder Abnutzung sowie unterschiedlicher Umgebungsbedingungen mit der Zeit ändern kann. Der Korrekturfaktor kann somit von der Steuereinheit 10 genutzt werden, um den Positionierungsfehler bei einer Anfahrt an einen nächsten Haltepunkt durch eine Korrektur der Fahrzeugposition über die Fahr- und Bremssteuerung zu verringern.
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In der zweiten Ausführungsform wird nach einem zweiten Halt nach der Neupositionierung des Schienenfahrzeugs 4 ein Ladevorgang gestartet. Hierbei wird ein zur Energieübertragung geeignetes Induktionssignal Si von der Richtantenne 6b an die im Wesentlichen gegenüberliegende Empfangsantenne 8 versendet. Die dadurch übertragene Ladeenergie wird in dem Energiespeicher 22 hinterlegt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere kann die Erfindung genutzt werden, um die Energieübertragung an einem Abstellplatz des Fahrzeugs, zum Beispiel über Nacht, zu optimieren. In diesem Fall wäre der Haltepunkt nicht in einem Bahnhofsbereich, sondern in einem Fahrzeugdepot.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Schienenfahrzeug
- 6a, 6b, 6c
- Sende-/Antenne
- 8
- Empfangs-/Antenne
- 10
- Steuereinheit
- 12
- Elektromotor
- 14
- Messeinrichtung
- 16
- Anzeigeeinheit
- 18
- Bediener
- 20
- Positionierungsmodul
- 22
- Energiespeicher
- L
- Fahrzeuglängsrichtung
- B
- Bewegungsstrecke
- H
- Haltepunkt
- I
- Istposition
- A
- Abweichung
- Sa, Sb, Sc
- Signal
- Se
- Empfangssignal
- Si
- Induktionssignal
- Sm
- Steuersignal
- Spos
- Verschiebeweg
