DE102014226907A1

DE102014226907A1 - Kommunikationsaufbau und Datenübertragung in einem Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102014226907A1
Application number: DE102014226907.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-07-07
Also published as: CN107107931A; WO2016102159A1; US20170349193A1; EP3209535A1; RU2674319C1; US10358155B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu einem Kommunikationsaufbau und zu einer Datenübertragung zwischen Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) in einem Schienenfahrzeug (2), sowie ein Schienenfahrzeug (2) mit einem Kommunikationsnetzwerk (4) aufweisend mehrere Netzwerkknoten (6). Ein vorteilhaftes Kommunikationsnetzwerk (4) und/oder eine vorteilhafte Datenübertragung können/kann erreicht werden, wenn die Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) selbständig ein Ad-hoc-Netzwerk (8) mit einer Netzwerktopologie (N) zur Datenübertragung in dem Schienenfahrzeug (2) ausbilden und konfigurieren und die Netzwerktopologie (N) im Laufe der Datenübertragung verändern und/oder, wenn das Kommunikationsnetzwerk (4) ein Ad-hoc-Netzwerk (8) ist und die Netzwerkknoten (6) Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu einem Kommunikationsaufbau und zu einer Datenübertragung zwischen Sensoreinheiten in einem Schienenfahrzeug.
Schienenfahrzeuge sind üblicherweise mit Sensoreinheiten zur Überwachung der Betriebssicherheit und mit Sensoreinheiten zur Überwachung des generellen Betriebsablaufs ausgerüstet.
Diese Sensoreinheiten dienen der Erfassung von betriebssicherheitsrelevanten Messgrößen, wie beispielsweise Temperaturen, Schwingungen oder dergleichen, bzw. der Erfassung von – lediglich betriebsrelevanten – Betriebsparametern, wie beispielsweise dem Schaltzustand eines Schalters, dem Betriebszustand eines Aggregats oder dergleichen.
Die von den Sensoreinheiten erfassten Messgrößen und/oder Betriebsparameter werden üblicherweise an eine oder an mehrere Steuereinheiten oder dergleichen als Daten übertragen, gegebenenfalls verarbeitet und letztlich dem Betriebspersonal an Bord des Schienenfahrzeuges und/oder einer zentralen Verkehrsleitstelle als Informationen zur Verfügung gestellt.
Zum Zweck dieser Datenübertragung ist eine Anbindung der Sensoreinheiten an einen Bus, ein Netzwerk, einen Kommunikationskanal oder dergleichen erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Kommunikationsnetzwerk zwischen den Sensoreinheiten vorzuschlagen.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Datenübertragung zwischen den Sensoreinheiten zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Sensoreinheiten selbstständig ein Ad-hoc-Netzwerk mit einer Netzwerktopologie zur Datenübertragung in einem Schienenfahrzeug ausbilden und konfigurieren und die Netzwerktopologie im Laufe der Datenübertragung verändern.
Eine Sensoreinheit kann zu einer Erfassung einer physikalischen Messgröße, wie beispielsweise einer Temperatur, einer Kraft und/oder einer Verschiebung oder dergleichen vorbereitet sein. Eine Sensoreinheit kann zu einer Erfassung eines Betriebsparameters des Schienenfahrzeuges, beispielsweise einem Schaltzustand eines Schalters, einem Betriebszustand eines Aggregates, einem Füllstand eines Betriebsmittels oder dergleichen vorbereitet sein. Vorteilhafterweise weisen zumindest einige der Sensoreinheiten jeweils eine Kommunikationseinheit zum Ausbilden eines, insbesondere drahtlosen, Kommunikationskanals zu einer weiteren der Sensoreinheiten auf.
Unter einem Ad-hoc-Netzwerk im Sinne der Erfindung kann ein Kommunikationsnetzwerk verstanden werden, dass zwischen zumindest zwei der Sensoreinheiten, vorzugsweise zwischen einer Vielzahl der Sensoreinheiten, ausgebildet ist. Das Ad-hoc-Netzwerk kann eine vermaschte Netzwerktopologie aufweisen, wobei die Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den einzelnen Sensoreinheiten des Ad-hoc-Netzwerks derart ausgestaltet sein können, dass zumindest einige der Sensoreinheiten mit mehr als einer Sensoreinheit über jeweils einen Kommunikationskanal verbunden sind. Das Ad-hoc-Netzwerk kann durch die Sensoreinheiten selbstständig ausgebildet werden, indem die Sensoreinheiten ihre jeweiligen Nachbarschaftsbeziehungen zu weiteren Sensoreinheiten durch das Senden und/oder Empfangen von Signalen ermitteln und in Abhängigkeit der gesendeten und/oder empfangenen Signale einen und/oder mehrere Kommunikationskanäle zu einer benachbarten Sensoreinheit und/oder zu mehreren benachbarten Sensoreinheiten ausbilden.
Unter einer Konfiguration beziehungsweise einem Konfigurieren des Ad-hoc-Netzwerks kann eine Einstellung von Netzwerkparametern, ein Einrichten, ein Anpassen, insbesondere an zeitlich veränderliche Gegebenheiten, des Ad-hoc-Netzwerks verstanden werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Schienenfahrzeuge mit einer Vielzahl von, insbesondere verschiedenartigen, Sensoreinheiten ausgestattet sein können und dass deren Verbindung beziehungsweise Anbindung zu einem beziehungsweise an ein Netzwerk aufwändig sein kann. Insbesondere der Austausch einzelner Sensoreinheiten und/oder der Einbau zusätzlicher Sensoreinheiten kann mit einem nicht unwesentlichen Verkabelungsaufwand und/oder mit einem nicht unwesentlichen manuellen Einrichtungsaufwand verbunden sein. Zudem kann bei einer herkömmlichen Anbindung der Sensoreinheiten an ein Netzwerk mit einer statischen, d. h. zeitlich nicht ohne Weiteres veränderlichen, Netzwerktopologie nur unzureichend auf den Ausfall einzelner Sensoreinheiten reagiert werden, sodass es gegebenenfalls zu Datenverlusten und folglich zu einer Beeinträchtigung der Betriebssicherheit und/oder des Betriebablaufs kommen kann. Die Erfindung ermöglicht eine Verringerung des Aufwands zur Verkabelung und/oder zur Einrichtung des Netzwerks, denn die Kommunikation zwischen den Sensoreinheiten erfolgt drahtlos, wobei die Einrichtung selbstständig durch die vorgenannte Art und Weise des Sendens und/oder Empfangens von Signalen erfolgen kann. Durch das Ausbilden einer vermaschten, zeitlich veränderlichen Netzwerktopologie, können Daten bei Ausfall einer Sensoreinheit durch eine angepasste Umleitung der Datenübertragung beziehungsweise durch eine Veränderung der Netzwerktopologie vermieden werden. Derart kann ein besonders hohes Betriebssicherheitsniveau des Schienenfahrzeuges erreicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Ad-hoc-Netzwerk zwischen betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten und lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten ausgebildet.
Eine betriebssicherheitsrelevante Sensoreinheit kann eine Sensoreinheit sein, die zu einer messtechnischen Erfassung einer betriebssicherheitsrelevanten Messgröße vorbereitet ist.
Eine betriebssicherheitsrelevante Messgröße kann eine Temperatur, eine Schwingung, eine Kraft, eine Verschiebung oder dergleichen sein, insbesondere eine Schwingungsgröße an einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs, eine Temperatur im Antriebssystem des Schienenfahrzeugs, eine Oberleitungsspannung, eine Achslagertemperatur, eine Betriebsflüssigkeitstemperatur, die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges oder dergleichen.
Eine Messgröße kann dann betriebssicherheitsrelevant sein, wenn bei einem Unter- beziehungsweise Überschreiten eines zulässigen Zahlenwertes dieser Messgröße eine Bedienhandlung des Schienenfahrzeugführers und/oder eine Zugbeeinflussung durch eine Schienenverkehrsleitstelle vorzunehmen ist.
Eine lediglich betriebsrelevante Sensoreinheit kann eine Sensoreinheit sein, die zu einer Erfassung eines Betriebsparameters des Schienenfahrzeugs vorbereitet ist. Ein solcher Betriebsparameter kann der Schaltzustand eines Schalters im Schienenfahrzeug, eine Temperatur in einem Fahrgastraum des Schienenfahrzeuges, eine Außentemperatur, ein Betriebszustand eines Aggregates des Schienenfahrzeugs oder dergleichen sein.
Ein Betriebsparameter kann dann lediglich betriebsrelevant sein, wenn bei einer Abweichung des Betriebsparameters von einem wünschenswerten Zustand nicht notwendigerweise eine Bedienhandlung zur Beeinflussung des Schienenfahrzeugs auszuführen ist. Insbesondere kann eine lediglich betriebsrelevante Sensoreinheit zur Erfassung von Messgrößen vorbereitet sein, die zu einer bloßen Information von Fahrgästen des Schienenfahrzeugs und/oder des Bedienpersonals des Schienenfahrzeuges bestimmt sein können.
Durch die Ausbildung des Ad-hoc-Netzwerks zwischen betriebssicherheitsrelevanten und lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten kann ein besonders eng vermaschtes Ad-hoc-Netzwerk mit einer Vielzahl von Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den Sensoreinheiten gebildet werden. Somit kann auch bei einem Ausfall einer oder mehrerer Sensoreinheiten eine sichere Datenübertragung durch die Nutzung alternativer Datenübertragungswege in dem derart eng vermaschten Ad-hoc-Netzwerk erreicht werden.
Eine besonders vorteilhaft strukturierte Datenübertragung und/oder ein einfach aufgebautes Netzwerk kann erreicht werden, wenn über das Ad-hoc-Netzwerk betriebssicherheitsrelevante Daten und lediglich betriebsrelevante Daten übertragen werden. Diese betriebssicherheitsrelevanten Daten können insbesondere Steuerdaten und/oder Sensordaten sein. Diese lediglich betriebsrelevanten Daten können insbesondere Platzreservierungsdaten, Infotainmentdaten und/oder Abrechnungsdaten sein. Durch diese Art und Weise der konsolidierten Datenübertragung von verschiedenartigen Daten in ein und demselben Netzwerk kann Aufwand eingespart werden, da eine Einrichtung mehrerer einzelzweckgebundener Netzwerke vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung werden betriebssicherheitsrelevante Daten über eine Netzwerkteiltopologie geleitet, welche durch lediglich betriebsrelevante Sensoreinheiten ausgebildet ist.
Unter einer Netzwerkteiltopologie im Sinne der Erfindung kann ein Teil des gesamten Ad-hoc-Netzwerks verstanden werden, der insbesondere durch eine Untergruppe der Sensoreinheiten ausgebildet sein kann. In einem einfachst anzunehmenden Fall kann diese Netzwerkteiltopologie zwischen zwei lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten ausgebildet sein. Die Netzwerkteiltopologie kann beispielsweise ein, zwei oder mehrere der Maschen des gesamten Ad-hoc-Netzwerkes umfassen. Vorteilhafterweise werden die betriebssicherheitsrelevanten Daten zusätzlich über die durch lediglich betriebsrelevante Sensoreinheiten ausgebildete Netzwerkteiltopologie geleitet. Auf diese Weise wird eine redundante Datenübertragung erreicht, wodurch ein nochmals erhöhtes Betriebssicherheitsniveau des Schienenfahrzeuges erreicht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Zugangspunkt zu einem übergeordneten Netzwerk an das Ad-hoc-Netzwerk angebunden.
Der Zugangspunkt kann ein sogenannter Wireless Access Point, ein Netzwerkendgerät als Endanbindung an eine feste Netzinfrastruktur oder dergleichen sein. Das übergeordnete Netzwerk kann ein kabelgebundenes Netzwerk, beispielsweise ein LAN-Netzwerk, ein Ethernet-Netzwerk, ein Bus-System oder dergleichen sein. Durch die derartige Verbindung zwischen dem Ad-hoc-Netzwerk und dem übergeordneten, insbesondere kabelgebundenen, Netzwerk kann eine einfache Übertragung der durch die Sensoreinheiten erfassten Messgrößen und/oder Betriebsparameter in eine weitere Netzwerkstruktur des Schienenfahrzeuges erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Netzwerktopologie in Abhängigkeit einer Priorisierung der Sensoreinheiten ausgebildet und/oder konfiguriert.
Die Sensoreinheiten können durch eine Untergliederung in eine Anzahl von Kategorien priorisiert sein. Beispielsweise kann eine Sensoreinheit, die zur Erfassung einer betriebssicherheitsrelevanten Messgröße vorbereitet ist, eine hohe Priorisierung aufweisen. Dementsprechend kann eine Sensoreinheit, die zu einer Ermittlung eines lediglich betriebsrelevanten Parameters vorbereitet ist, eine im Vergleich niedrigere Priorisierung aufweisen. Beispielsweise kann die Netzwerktopologie in Abhängigkeit der Priorisierung derart ausgebildet werden, dass zunächst die Sensoreinheiten mit einer höchsten Priorisierung eine Netzwerkteiltopologie ausbilden, darauf folgend die Sensoreinheiten mit einer hohen Priorisierung eine Netzwerkteiltopologie ausbilden und abschließend die Sensoreinheiten mit einer mittleren Priorisierung eine weitere Netzwerkteiltopologie ausbilden.
Für den Fall, dass das Ad-hoc-Netzwerk bereits zumindest zu einem Teil ausgebildet ist, kann die weitere Netzwerktopologie derart in Abhängigkeit der Priorisierung der Sensoreinheiten ausgebildet werden, dass zunächst die Sensoreinheiten mit einer höchsten Priorisierung, darauf folgend die Sensoreinheiten mit einer hohen Priorisierung und abschließend die Sensoreinheiten mit einer mittleren Priorisierung eingebunden werden. Durch die derart an die Priorisierung der Sensoreinheiten angepasste Ausbildung und/oder Konfiguration der Netzwerktopologie kann sichergestellt werden, dass betriebssicherheitsrelevanter Daten bevorzugt übertragen werden, so dass deren Verlust und letztlich eine Beeinträchtigung der Betriebssicherheit vermieden werden können.
Insbesondere für den Fall, dass lediglich begrenzte Netzwerkressourcen – eine Datenübertragungsbandbreite, eine Prozessorkapazität, eine Speicherkapazität oder dergleichen – vorliegen kann die Netzwerktopologie derart konfiguriert werden, dass Sensoreinheiten mit einer vergleichsweise niedrigen Priorisierung aus der Netzwerktopologie entfernt werden. Durch die derart an die Priorisierung der Sensoreinheiten angepasste Ausbildung und/oder Konfiguration der Netzwerktopologie kann sichergestellt werden, dass auch bei begrenzten Netzwerkressourcen stets eine sichere Übertragung betriebssicherheitsrelevanter Daten sichergestellt ist.
Vorzugsweise ist das Ad-hoc-Netzwerk als sogenanntes multihop-wireless-Netzwerk ausgebildet. Bei einer derartigen Ausbildung des Ad-hoc-Netzwerks werden die Daten von einer Sensoreinheit zu einer nächsten Sensoreinheit und/oder über eine Reihe weiterer Sensoreinheiten übertragen – wobei die Daten hierbei zunächst nicht über eine zwischengeschaltete Infrastruktur geleitet werden – und einem Zugangspunkt zu einem übergeordneten Netzwerk abgeleitet. Dabei kann eine Laufzeit der Datenübertragung bis zu dem Zugangspunkt davon abhängen, ob die Daten über eine kurze Route zwischen einigen wenigen Sensoreinheiten oder eine längere Route zwischen einer Vielzahl von Sensoreinheiten zu dem Zugangspunkt geleitet werden.
Um eine wirksame Überwachung der Betriebssicherheit des Schienenfahrzeuges gewährleisten zu können, kann es erforderlich sein, dass eine Laufzeit der Datenübertragung ausgehend von betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten eine vorgegebene maximal zulässige Laufzeit nicht überschreitet.
Insbesondere deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Netzwerktopologie in Abhängigkeit von einer vorgegebenen maximalen Laufzeit einer von einer der Sensoreinheiten ausgehenden Datenübertragung ausgebildet und/oder konfiguriert wird. Die vorgegebene maximale Laufzeit kann eine Laufzeit der Datenübertragung zwischen einer bestimmten Sensoreinheit und einer Führerstandleitstelle des Schienenfahrzeuges sein.
Vorteilhafterweise beträgt die maximal zulässige Laufzeit nicht mehr als 35 Millisekunden. Derart werden Zeitverzögerungen in der Datenübertragung innerhalb des Ad-hoc-Netzwerks vermieden, wodurch eine besonders wirksame Überwachung der Betriebssicherheit erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Warnsignal über das Ad-hoc-Netzwerk geleitet, wenn eine vorgegebene maximale Laufzeit einer von einer der Sensoreinheiten ausgehenden Datenübertragung überschritten wird.
Das Warnsignal kann an eine Führerstandleitstelle des Schienenfahrzeuges, an eine Schienenverkehrsleitzentrale, ein Stellwerk oder dergleichen geleitet werden.
Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit des Warnsignals eine Bedienhandlung zur Beeinflussung des Schienenfahrzeuges, beispielsweise eine Verringerung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges durch den Schienenfahrzeugführer und/oder einen Stellwerkbediener eingeleitet.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn bei einer Überschreitung der maximal vorgegebenen Laufzeit der Datenübertragung eine Neukonfiguration der Netzwerktopologie vorgenommen wird, sodass durch geänderte Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den Sensoreinheiten eine vorteilhaft verkürzte Route für die Datenübertragung erreicht werden kann. Auf diese Weise kann eine Beeinträchtigung der Betriebssicherheit des Schienenfahrzeuges durch übermäßig lange Laufzeiten der Datenübertragung vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Warnsignal über das zumindest teilweise ausgebildete Ad-hoc-Netzwerk geleitet, wenn eine vorgegebene maximale Zeitdauer bis zu einem vollständigen Ausbilden des Ad-hoc-Netzwerkes überschritten wird.
Das Ad-hoc-Netzwerk kann dann vollständig ausgebildet sein, wenn sämtliche erforderlichen Sensoreinheiten in die Netzwerktopologie eingebunden sind. Die vorgegebene maximale Zeitdauer bis zu einem vollständigen Ausbilden des Ad-hoc-Netzwerks kann vom Betriebszustand des Schienenfahrzeuges abhängig sein. Vorzugsweise beträgt die vorgegebene maximale Zeitdauer bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeuges mehrere Sekunden bis mehrere Minuten. Bei einer bereits erfolgten vollständigen Ausbildung des Ad-hoc-Netzwerkes gefolgt von einem Verbindungsverlust zumindest einer der Sensoreinheiten mit dem Ad-hoc-Netzwerk kann diese maximale Zeitdauer lediglich einige Zehntelsekunden bis mehrere Sekunden betragen. Derart kann mit einfachen Mitteln registriert werden, ob sämtliche notwendigen Sensoreinheiten mit der Netzwerktopologie verbunden sind, wodurch ein nochmals erhöhtes Niveau der Betriebssicherheit erreicht werden kann.
Außerdem ist die Erfindung auf ein Schienenfahrzeug mit einem Kommunikationsnetzwerk aufweisend mehrere Netzwerkknoten gerichtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug ist das Kommunikationsnetzwerk ein Ad-hoc-Netzwerk und die Netzwerkknoten sind Sensoreinheiten. Durch die derartige Ausstattung des Schienenfahrzeuges mit einem Ad-hoc-Netzwerk kann insbesondere Aufwand zur Verkabelung der Sensoreinheiten und Aufwand zur Einrichtung des Netzwerkes vermieden werden, da die Netzwerkknoten des Ad-hoc-Netzwerkes drahtlos miteinander verbundene Sensoreinheiten sind, die zudem dazu vorbereitet sind, die Netzwerktopologie des Ad-hoc-Netzwerkes selbstständig auszubilden und/oder zu konfigurieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zumindest mehrere der Sensoreinheiten in einem Drehgestell des Schienenfahrzeuges angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Sensoreinheiten dazu vorbereitet, eine Schwingungsgröße des Drehgestells und/oder eine Achslagertemperatur messtechnisch zu erfassen. Auf diese Weise kann Verkabelungsaufwand zur Anbindung der Sensoreinheiten an eine übergeordnete Steuereinheit und/oder an ein übergeordnetes Netzwerk vermieden werden, da die Sensoreinheiten eine drahtlose Netzwerktopologie ausbilden.
In einer bevorzugten Ausbildungsform ist das Ad-hoc-Netzwerk an einen Zugangspunkt zu einem übergeordneten Netzwerk angebunden. Das übergeordnete Netzwerk kann ein kabelgebundenes Netzwerk, insbesondere ein LAN-Netzwerk, ein Ethernet-Netzwerk, ein Bus-System oder dergleichen sein. Derart kann mit einfachen Mitteln eine zuverlässige Anbindung der Sensoreinheiten des Drehgestelles an eine, insbesondere zentrale, Netzwerkinfrastruktur des Schienenfahrzeuges erreicht werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Zugangspunkt zu einem übergeordneten Netzwerk oberhalb eines Drehgestelles des Schienenfahrzeuges angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist der Zugangspunkt derart angeordnet, dass eine zuverlässige drahtlose Kommunikationsanbindung der Sensoreinheiten an den Zugangspunkt mit einer ausreichenden Signalstärke zu Datenübertragung erreicht werden kann.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels, dass im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wird. Das Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung und beschränkt die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht im Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können geeignete Merkmale des Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus dem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein weiteres Ausführungsbeispiel eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einem Kommunikationsnetzwerk.
1 zeigt ein Schienenfahrzeug 2 mit einem Kommunikationsnetzwerk 4 aufweisend mehrere Netzwerkknoten 6.
Das Kommunikationsnetzwerk 4 ist ein Ad-hoc-Netzwerk 8 und die Netzwerkknoten 6 sind Sensoreinheiten 10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e.
Gleiche Merkmale, die jedoch geringfügige Unterschiede aufweisen können, beispielsweise in einem Betrag beziehungsweise einem Zahlenwert, in einer Abmessung, einer Position und/oder einer Funktion oder dergleichen sind mit der gleichen Bezugsziffer und einem beziehungsweise einem anderen Bezugsbuchstaben gekennzeichnet. Wird die Bezugsziffer alleine ohne einen Bezugsbuchstaben erwähnt, so ist die Gesamtheit der entsprechenden Merkmale angesprochen.
Zwischen den Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 ist eine Vielzahl von drahtlosen Kommunikationsverbindungen, die eine vermaschte Netzwerktopologie N bilden, ausgebildet bzw. eingerichtet. Aus Gründen der vereinfachten Darstellbarkeit sind diese vorgenannten drahtlosen Kommunikationsverbindungen nicht explizit mit Bezugszeichen versehen.
Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit ist lediglich ein Triebfahrzeug 18 des Schienenfahrzeuges 2 dargestellt, wobei sich das dargestellte Ad-hoc-Netzwerk 8 selbstverständlich nicht auf das Triebfahrzeug 18 beschränken muss, sondern auch in hier nicht dargestellten Schienenfahrzeugwagen des Schienenfahrzeugs 2 eingerichtet sein kann.
Das Triebfahrzeug 18 weist zwei Drehgestelle 20a, 20b auf. Die Drehgestelle 20 weisen Radsätze 22 auf, wobei das Triebfahrzeug 18 über die Radsätze 22 auf einen Gleiskörper 24 abstützt ist.
Die Sensoreinheiten 14a–e sind im Drehgestell 20a, die Sensoreinheiten 16a–e im Drehgestell 20b des Triebfahrzeugs 18 beziehungsweise des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet. Die weiteren Sensoreinheiten 12a–c und 10a–j sind im Triebfahrzeug 18 beziehungsweise im Schienenfahrzeug 2 örtlich verteilt an verschiedenen Stellen, beispielsweise in einem Fahrgastraum, an einem Traktionssystem, an Aggregaten, an einer Installationstechnik oder dergleichen angeordnet. Generell können die Sensoreinheiten 12 und 10 an beliebigen Stellen des Schienenfahrzeuges 2 zur Erfassung von Messgrößen und/oder Betriebsparametern angebracht sein.
Die in den Drehgestellen 20 angeordneten Sensoreinheiten 14 und 16 sind dazu vorbereitet, Schwingungsgrößen der Radsätze und/oder eine Achslagertemperatur messtechnisch zu erfassen.
Das Ad-hoc-Netzwerk 8 ist über mehrere Zugangspunkte 26a, 26b, 26c, 26d, 26e und 26f an ein übergeordnetes kabelgebundenes Netzwerk 28 angebunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das kabelgebundene Netzwerk 28 ein Bus-System 30, das an eine Führerstandleitstelle 32 angeschlossen ist. Die Zugangspunkte 26a, 26c, 26d und 26f sind in relativer Nähe zu den Drehgestellen oberhalb der Sensoreinheiten 14 beziehungsweise 16 angeordnet, sodass eine zuverlässige drahtlose Anbindung der Sensoreinheiten 14 und 16 an die Zugangspunkte 26a, 26c, 26d und 26f mit einer ausreichenden Signalstärke erreicht wird.
Die Sensoreinheiten 14a–e und 16a–e sind betriebssicherheitsrelevante Sensoreinheiten, die zur messtechnischen Erfassung von betriebssicherheitsrelevanten Messgrößen beziehungsweise Daten vorbereitet sind.
Die Sensoreinheiten 12a–c und 10a–j sind lediglich betriebsrelevante Sensoreinheiten, die zur Erfassung von Betriebsparametern des Schienenfahrzeugs 2, beispielsweise einer Innenraumtemperatur, einer Sitzplatzbelegung oder dergleichen, vorbereitet sind.
Die Netzwerktopologie N des Ad-hoc-Netzwerks 8 ist in Netzwerkteiltopologien N₁, N₂, N₃ und N₄ untergliedert. Die Netzwerkteiltopologie N₁ ist zwischen den betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten 14a–e ausgebildet. Die Netzwerkteiltopologie N₂ ist zwischen den betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten 16a–e ausgebildet. Die Netzwerkteiltopologie N₃ ist zwischen den lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten 12a, 12b und 12c ausgebildet. Die Netzwerkteiltopologie N₄ ist zwischen den lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten 10a–j ausgebildet. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass eine Netzwerkteiltopologie sowohl durch betriebssicherheitsrelevante Sensoreinheiten als auch durch lediglich betriebsrelevante Sensoreinheiten, d. h. durch Sensoreinheiten verschiedener Kategorien ausgebildet ist.
Zu einem Kommunikationsaufbau und zu einer Datenübertragung zwischen den Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 in dem Schienenfahrzeug 2 beziehungsweise mit der Führerstandleitstelle 32 bilden die Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 das Ad-hoc-Netzwerk 8 mit der Netzwerktopologie N selbstständig, d.h. insbesondere unter Vermeidung von manuellen Eingriffen durch ein Bedienpersonal, aus. Dabei wird die Netzwerktopologie N beziehungsweise sind die Netzwerkteiltopologien N₁, N₂, N₃ und N₄ über der Zeit, insbesondere im Laufe der Datenübertragung und/oder im Laufe des Kommunikationsaufbaus, verändert.
Zum Ausbilden der Netzwerktopologie N beziehungsweise zum Kommunikationsaufbau innerhalb des Ad-hoc-Netzwerks 8 – nach einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs 2 und/oder nach einem Verlust einer Kommunikationsverbindung – senden die Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 Suchsignale und/oder empfangen solche Suchsignale von benachbarten Sensoreinheiten. Die Art und Weise, auf welche die Netzwerktopologie N beziehungsweise die drahtlosen Kommunikationskanäle zwischen den Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 ausgebildet wird, kann von einer Vielzahl von Kriterien abhängen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Netzwerktopologie N in Abhängigkeit von Priorisierungen P₁, P₂, P₃ und P₄ der Sensoreinheiten 14, 16, 12 beziehungsweise 10 ausgebildet und/oder konfiguriert, das heißt an sich ändernde Gegebenheiten angepasst, zeitlich verändert, eingerichtet, modifiziert oder dergleichen. Genauer wird zunächst die drahtlose Kommunikationsverbindung beziehungsweise die Netzwerkteiltopologie N₁ zwischen den Sensoreinheiten 14 mit der Priorität P₁, welche vorliegend die vergleichsweise höchste Priorität ist, ausgebildet.
Darauf folgend wird die Netzwerkteiltopologie N₂ zwischen den Sensoreinheiten 16 mit der nächsthöheren Priorisierung P₂ ausgebildet. Weiter wird die Netzwerteiltopologie N₃ zwischen den Sensoreinheiten 12a, 12b und 12c mit der nächsthöheren Priorisierung P₃ und abschließend die Netzwerkteiltopologie N₄ zwischen den Sensoreinheiten 10a–j mit der vorliegend geringsten Priorisierung P₄ ausgebildet.
Die Priorisierungen P₁, P₂, P₃ und P₄ richten sich danach, ob die betreffenden Sensoreinheiten betriebssicherheitsrelevante Messgrößen erfassen oder lediglich betriebsrelevante Betriebsparameter des Schienenfahrzeuges 2 ermitteln. Es sind aber auch eine Vielzahl weiterer Priorisierungen anhand weiterer Kriterien möglich.
Insbesondere, wenn begrenzte Ressourcen innerhalb des Ad-hoc-Netzwerks 8 und/oder innerhalb des übergeordneten Netzwerks 28 beziehungsweise des Bus-Systems 30 vorliegen, erfolgt eine zeitlich gestaffelte Verbindung der Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 in Abhängigkeit deren Priorisierungen P₁ bis P₄, sodass die am höchsten priorisierten Sensoreinheiten bevorzugt in das Ad-hoc-Netzwerk 8 eingebunden beziehungsweise an das übergeordnete kabelgebundene Netzwerk 28 über die Zugangspunkte 26 angebunden werden.
Die Datenübertragung zwischen den Sensoreinheiten 10, 12, 14 und 16 beziehungsweise von den Sensoreinheiten zu der Führerstandleitstelle 32 erfolgt durch eine multi-hop-Verbindung, bei der die Daten von einer Sensoreinheit über eine und/oder mehrere weitere Sensoreinheiten bis hin zu einem der Zugangspunkte 26 in das übergeordnete Netzwerk 28 bis hin zu der Führerstandleitstelle 32 geleitet werden. Eine sich einstellende Laufzeit der Datenübertragung ausgehend von einer Sensoreinheit bis hin zu der Führerstandleitstelle 32 hängt dabei im Wesentlichen von einer Anzahl von hops, das heißt von der Anzahl von Sensoreinheiten, über welche die Daten abgeleitet werden, ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Führerstandleitstelle 32 eine Speichereinheit 34 mit einem in dieser gespeicherten Datensatz 36 bezüglich einer vorgegebenen maximalen Laufzeit t_m auf.
Die Netzwerktopologie N wird in Abhängigkeit der vorgegebenen maximalen Laufzeit t_m zur Führerstandleitstelle einer von einer der Sensoreinheiten 10, 12, 14 und/oder 16 ausgehenden Datenübertragung ausgebildet und/oder konfiguriert.
Vorliegend wird die Netzwerktopologie N in Abhängigkeit der Laufzeiten von Datenübertragungen ausgehend von den betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten 14 und 16 konfiguriert und/oder ausgebildet. Hierfür notwendige Verfahrensschritte werden im Folgenden exemplarisch für die Sensoreinheit 16a erläutert:
Zum Ausbilden der Netzwerktopologie N, beispielsweise nach einer in Betriebnahme des Schienenfahrzeuges 2 oder nach einem Verlust einer Kommunikationsanbindung einer einzelnen oder mehrerer Sensoreinheiten, sendet die Sensoreinheit 16a ein Suchsignal S.
Das Suchsignal S wird von den benachbarten Sensoreinheiten 10i, 16b und 16c empfangen.
Das Suchsignal S wird von der benachbarten Sensoreinheit 10i über die Sensoreinheit 10j und den Zugangspunkt 26e in das kabelgebundene Netzwerk 28 ein- und über letzteres zur Führerstandleitstelle 32 weitergeleitet. Die hierfür benötigte Laufzeit des Suchsignals ausgehend von Sensoreinheit 16a beträgt t₁.
Das von der Sensoreinheit 16b empfangene Suchsignal S wird über den Zugangspunkt 26d in das kabelgebundene Netzwerk 28 eingeleitet und über letzteres an die Führerstandleitstelle 32 weitergeleitet. Dabei beträgt die Laufzeit des Suchsignals t₂.
Das von der Sensoreinheit 16c empfangene Suchsignal S wird über die Sensoreinheit 16d und den Zugangspunkt 26f in das kabelgebundene Netzwerk 28 eingeleitet und durch dieses an die Führerstandleitstelle 32 weitergeleitet. Dabei beträgt die Laufzeit der Datenübertragung t₃.
Die Laufzeiten t₁, t₂ und t₃ werden mit der zulässigen maximalen Laufzeit t_m verglichen. Überschreitet eine der Laufzeiten t₁, t₂ und/oder t₃ die maximale Laufzeit t_m, so wird der der entsprechenden Laufzeit zugrunde liegende Datenübertragungsweg für eine zukünftige Datenübertragung ausgehend von der Sensoreinheit 16a verworfen. Vorliegend werden die Datenübertragungswege ausgehend von der Sensoreinheit 16a über die Sensoreinheiten 10i und 16c verworfen.
Stattdessen wird der Datenübertragungsweg, welcher die geringsten Laufzeit erlaubt, vorliegend die Laufzeit t₂, für zukünftige Datenübertragungen ausgehend von der Sensoreinheit 16a bevorzugt – hier über die Sensoreinheit 16b – verwendet. Die Netzwerktopologie N wir dementsprechend ausgebildet und/oder konfiguriert.
Es sind Betriebszustände des Ad-hoc-Netzwerks 8 denkbar, in denen eine laufzeitminimale Datenübertragung auf eine Datenübertragungsroute ausgehend von einer Sensoreinheit über möglichst wenigen weitere Sensoreinheiten zur Führerstandleitstelle 32 nicht ohne Weiteres erreicht wird.
Kommt es beispielsweise zu einem Verlust der drahtlosen Kommunikation zwischen den Sensoreinheiten 16a und 16d und können deshalb von der Sensoreinheit 16a erfasste betriebssicherheitsrelevante Messwerte beziehungsweise Daten nicht auf der Route mit der kürzest möglichen Laufzeit übertragen werden, so wird ein Warnsignal W über das Ad-hoc-Netzwerk 8, genauer ausgehend von der Sensoreinheit 16a über die Sensoreinheit 10i, die Sensoreinheit 10j, den Zugangspunkt 26e über das kabelgebundene Netzwerk 28 bis hin zu der Führerstandleitstelle 32 geleitet. In Abhängigkeit dieses Warnsignals W kann eine entsprechende Bedienhandlung durch den Schienenfahrzeugführer, beispielsweise eine Verringerung der Schienenfahrzeuggeschwindigkeit, vorgenommen werden.
In der Speichereinheit 34 der Führerstandleitstelle 32 ist ein Datensatz 38 bezüglich einer maximalen Zeitdauer z_m bis zu einem vollständigen Ausbilden des Ad-hoc-Netzwerks 8 gespeichert. Das Ad-hoc-Netzwerk 8 kann dann vollständig ausgebildet sein, wenn sämtliche erforderlichen Sensoreinheiten in die Netzwerktopologie N eingebunden sind und deren Daten von der Führerstandleitstelle empfangbar sind. Wird die maximale Zeitdauer z_m bis zum vollständigen Ausbilden des Ad-hoc-Netzwerks 8 überschritten, so wird ein Warnsignal W über das zumindest teilweise ausgebildete Ad-hoc-Netzwerk geleitet.
Die betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten 14 und 16 erfassen jeweils betriebssicherheitsrelevante Daten D_s, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Gründen der vereinfachten Darstellbarkeit lediglich die durch die Sensoreinheit 14b erfassten betriebssicherheitsrelevanten Daten D_s schematisch dargestellt sind. Die Sensoreinheiten 12 und 10 erfassen jeweils lediglich betriebsrelevante Daten D_b, wobei aus Gründe der vereinfachten Darstellbarkeit lediglich die betriebsrelevanten Daten D_b, welche durch die Sensoreinheit 12a erfasst werden, schematisch dargestellt sind. Über das Ad-hoc-Netzwerk 8 werden sowohl betriebssicherheitsrelevante Daten D_s als auch lediglich betriebsrelevante Daten D_b übertragen.
Die betriebssicherheitsrelevanten Daten D_s werden zum einen über die Netzwerkteiltopologie N₁, welche zwischen den betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten 14a–e ausgebildet ist, übertragen. Zusätzlich werden die betriebssicherheitsrelevanten Daten D_s über die Kommunikationsverbindung zwischen den Sensoreinheiten 14b und 12a übertragen und somit in die Netzwerkteiltopologie N₃, welche aus lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten 12a, 12b und 12c ausgebildet ist, eingeleitet. Derart wird eine redundante Datenübertragung der betriebssicherheitsrelevanten Daten D_s und folglich ein hohes Betriebssicherheitsniveau des Schienenfahrzeuges 2 erreicht.

Claims

Verfahren zu einem Kommunikationsaufbau und zu einer Datenübertragung zwischen Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) in einem Schienenfahrzeug (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) selbständig ein Ad-hoc-Netzwerk (8) mit einer Netzwerktopologie (N) zur Datenübertragung in dem Schienenfahrzeug (2) ausbilden und konfigurieren und die Netzwerktopologie (N) im Laufe der Datenübertragung verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ad-hoc-Netzwerk (8) zwischen betriebssicherheitsrelevanten Sensoreinheiten (14a–e, 16a–e) und lediglich betriebsrelevanten Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über das Ad-hoc-Netzwerk (8) betriebssicherheitsrelevante Daten (D_s), insbesondere Steuerdaten und/oder Sensordaten, und lediglich betriebsrelevante Daten (D_b), insbesondere Platzreservierungsdaten, Infotainmentdaten und/oder Abrechnungsdaten, übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass betriebssicherheitsrelevante Daten (D_s) zusätzlich über eine Netzwerkteiltopologie (N₃, N₄) geleitet werden, welche durch lediglich betriebsrelevante Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zugangspunkt (26a–f) zu einem übergeordneten kabelgebundenen Netzwerk (28, 30) an das Ad-hoc-Netzwerk (8) angebunden wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwerktopologie (N) in Abhängigkeit einer Priorisierung (P_1-4) der Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) ausgebildet und/oder konfiguriert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzwerktopologie (N) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen maximalen Laufzeit (t_m) zu einer Führerstandleitstelle (32) einer von einer der Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) ausgehenden Datenübertragung ausgebildet und/oder konfiguriert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnsignal (W) über das Ad-hoc-Netzwerk (8) geleitet wird, wenn eine vorgegebene maximale Laufzeit (t_m) zu einer Führerstandleitstelle (32) einer von einer der Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) ausgehenden Datenübertragung überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnsignal (W) über das zumindest teilweise ausgebildete Ad-hoc-Netzwerk (8) geleitet wird, wenn eine vorgegebenen maximale Zeitdauer (z_m) bis zu einem vollständigen Ausbilden des Ad-hoc-Netzwerks (8) überschritten wird.
Schienenfahrzeug (2) mit einem Kommunikationsnetzwerk (4) aufweisend mehrere Netzwerkknoten (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsnetzwerk (4) ein Ad-hoc-Netzwerk (8) ist und die Netzwerkknoten (6) Sensoreinheiten (10a–j, 12a–c, 14a–e, 16a–e) sind.
Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere der Sensoreinheiten (14a–e, 16a–e) in einem Drehgestell (20a, 20b) des Schienenfahrzeugs (2) angeordnet sind.
Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ad-hoc-Netzwerk (8) an einen Zugangspunkte (26a–f) zu einem übergeordneten kabelgebundenen Netzwerk (28, 30) angebunden ist.
Schienenfahrzeug (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zugangspunkt (26a–f) oberhalb eines Drehgestells (20a, 20b) des Schienenfahrzeugs (2) angeordnet ist.