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Beim automatischen Fahren eines Schienenfahrzeugs, wie beispielsweise eines Zugs, einer Straßenbahn oder einer U-Bahn, sind Tätigkeiten automatisiert, die bei einem konventionellen Schienenfahrzeug vom Fahrer oder Triebfahrzeugführer ausgeführt werden. Bei einer kosteneffizienten Automatisierung der Fahreraufgaben innerhalb eines Führstands des Schienenfahrzeugs können Bedienelemente des Schienenfahrzeugs beispielsweise mittels Aktoren einer Automatisierungsvorrichtung bedient werden. Dadurch können konventionelle Schienenfahrzeuge auf besonders einfache Weise nachträglich automatisiert betrieben werden. So kann beispielsweise ein Roboter Bedienelemente betätigen, die ein Fahrer zuvor per Hand oder per Fuß betätigt hat, wie beispielsweise das Drücken von Knöpfen oder das Bewegen von Hebeln. Anzeigen, die der Fahrer zuvor mit seinen Augen überwacht hat, können beispielsweise durch Kameras oder andere Sensoren vom automatischen System überwacht werden. Weitere Sensoren können beispielsweise Fahrgeräusche oder Fahrvibrationen erfassen, durch die Gefahrensituationen erkannt werden können.
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Um eine sichere Funktion solcher Aktoren und Sensoren zu gewährleisten, müssen diese überwacht und überprüft werden können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die die Automatisierung eines autonom betriebenen Schienenfahrzeugs auf einfache Weise überwacht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, durch ein Verfahren zum Überprüfen wenigstens eines Aktors und/oder Sensors eines autonom fahrbaren Schienenfahrzeugs, bei dem mit dem Aktor wenigstens eine vordefinierte Aktion durchgeführt wird, bei dem die Aktion von dem wenigstens einen Sensor erfasst und wenigstens ein Sensorsignal erzeugt wird und bei dem überprüft wird, ob das erzeugte Sensorsignal einem für die vordefinierte Aktion erwarteten Sensorsignal entspricht.
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Ferner löst die Erfindung die genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum automatischen Fahren eines Schienenfahrzeugs, mit wenigstens einer Steuereinrichtung, mit wenigstens einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Aktor und mit wenigstens einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Sensor, der zum Erfassen von Aktionen des Aktors und zur Ausgabe eines Sensorsignals an die Steuereinrichtung ausgebildet ist, wobei der Aktor zum Durchführen wenigstens einer vordefinierten Aktion und der Sensor zum Erfassen dieser Aktion und zum Erzeugen wenigstens eines Sensorsignals ausgebildet sind und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, zu überprüfen, ob das erzeugte Sensorsignal einem für die vordefinierte Aktion erwarteten Sensorsignal entspricht.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sie besonders einfach durchführbar ist und damit die Aktoren und/oder Sensoren, die für das automatische Fahren des Schienenfahrzeugs genutzt werden, überprüft werden. Es können vordefinierte Aktor-Sensor-Paare gebildet werden, die beim Überprüfen zusammenarbeiten. Beispielsweise kann als Aktor ein Roboterarm und als zugeordneter Sensor eine Kamera, die den Roboterarm und dessen Bewegung erfasst, dienen. In einem automatischen Normalbetrieb des Schienenfahrzeugs führt beispielsweise der Aktor, in diesem Fall der Roboterarm, eine Steuerungsaufgabe aus und drückt beispielsweise einen Bedienknopf. Die Kamera überwacht diese Aktion des Roboterarms und gibt ein Sensorsignal, beispielsweise ein Bild, an die Steuerung der Automatisierungseinrichtung. Die Steuerung entscheidet anhand des Bildes, ob die Ausführung des Aktors innerhalb der zulässigen Parameter und somit in Ordnung war. Allerdings könnte die Kamera fehlerhaft arbeiten und eine Aktion des Aktors als korrekt melden, obwohl diese gar nicht korrekt erfolgt ist. Um die Funktionsfähigkeit des Aktors und/oder Sensors zu überprüfen, wird das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch vorteilhafte Ausgestaltungen weiterentwickelt werden, die im Folgenden beschrieben sind.
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So kann in einer Lernphase ein durch die vordefinierte Aktion erzeugtes Sensorsignal als das erwartete Sensorsignal abgespeichert werden. Beispielsweise können die vordefinierten Aktionen des Aktors auch alle Bewegungen sein, die er für seine Tätigkeit braucht.
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Ferner kann das Verfahren innerhalb einer vorbestimmten Ausfalloffenbarungszeit durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Schienenfahrzeug sicher automatisch betrieben werden kann. Dies ist von Vorteil für die Zulassung des Systems zum automatischen Fahren des Schienenfahrzeugs, weil man davon ausgehen kann, dass ein Ausfall so schnell aufgedeckt und sicherheitstechnisch behandelt wird, dass die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlfunktion des Schienenfahrzeugs unterhalb eines spezifizierten Sicherheitsziels liegt. Die Ausfalloffenbarungszeit ist die Zeit nach dem Eintritt eines Ausfalls, die noch ausreicht, um einen sicheren Zustand wieder herzustellen ohne Folgen für die Sicherheit des Schienenfahrzeugs.
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Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, können mehrere voneinander unterschiedliche vordefinierte Aktionen zyklisch durchgeführt und überprüft werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Vorrichtung wenigstens eine mit der Steuereinrichtung verbundene Speichereinheit aufweisen, in der das wenigstens eine für die vordefinierte Aktion erwartete Sensorsignal abgespeichert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Steuereinrichtung schnellen Zugriff auf die erwarteten Sensorsignale hat.
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Weiterhin kann der Aktor wenigstens eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung, einen Roboterarm, einen Tongenerator und/oder einen Vibrationserzeuger und der Sensor wenigstens eine Kamera, ein Mikrofon, einen Schwingungssensor und/oder eine Temperaturmesseinrichtung umfassen. Diese Aktoren oder Sensoren sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung jeweils besonders geeignet. Ferner kann der Aktor zum Betätigen von Bedienelementen des Schienenfahrzeugs ausgebildet sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Schienenfahrzeug, das zum autonomen Fahren ausgebildet ist. Um seine Aktoren und/oder Sensoren besonders einfach überprüfen zu können, umfasst das Schienenfahrzeug erfindungsgemäß wenigstens eine Vorrichtung nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs;
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2 eine schematische Darstellung von einem Teil des Führerstands des Schienenfahrzeugs aus 1;
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3 eine schematische Darstellung von einem Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum automatischen Fahren des Schienenfahrzeugs aus 1.
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1 zeigt ein Schienenfahrzeug 1, das sich in einer Fahrtrichtung F entlang einer Fahrstrecke 2 bewegt. Das Fahrzeug 1 wird dabei autonom gefahren, d. h. ohne ein Eingreifen oder Zutun eines Fahrers oder Triebfahrzeugführers. Dabei kann ein Fahrer im Führerstand 3 anwesend sein oder aber auch nicht. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Schienenfahrzeugs 1 handelt es sich, um ein für einen Fahrerbetrieb ausgebildetes Schienenfahrzeug 1, das nachträglich mit einer den Fahrer ersetzenden oder die Aktionen des Fahrers ersetzenden Vorrichtung 4 zum automatischen Fahren ausgestattet wurde. 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 zum automatischen Fahren des Schienenfahrzeugs 1, die beispielsweise im Führerstand 3 angeordnet ist.
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Die Vorrichtung 4 umfasst eine Steuereinrichtung 5, wenigstens einen mit der Steuereinrichtung 5 verbundenen Aktor 6 und wenigstens einen ebenfalls mit der Steuereinrichtung 5 verbundenen Sensor 7. Der Sensor 7 ist dem Aktor 6 zugeordnet, um Aktionen des Aktors 6 zu erfassen. In der beispielhaften Ausführungsform in 2 sind der Aktor 6 als ein Roboterarm und der Sensor 7 als eine Kamera ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 kann selbstverständlich auch weitere Aktoren und/oder Sensoren aufweisen, die in 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden. Der Führerstand 3 des Schienenfahrzeugs 1 weist übliche Bedienelemente 8 auf, die hier beispielhaft lediglich durch einen Druckknopf verkörpert sind. Der Aktor 6 ist so angeordnet, dass er das Bedienelement 8 betätigen kann. Im autonomen Betrieb des Schienenfahrzeugs 1 betätigt der Aktor 6 das Bedienelement 8, wann immer dies nötig ist. Überwacht wird diese Aktion des Aktors 6 durch den Sensor 7, der ein oder mehrere Sensorsignale 9 an die Steuereinrichtung 5 übermittelt. Die Sensorsignale sind bei der beispielhaften Ausführungsform in 2 beispielsweise Bilder, die die Kamera aufgenommen hat. Die Steuereinrichtung 5 entscheidet, anhand der Sensorsignale 9, ob die Aktion des Aktors 6 in Ordnung war.
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Um zu verhindern, dass der Sensor 7 unbemerkt falsche Sensorsignale 9 ausgibt, die fälschlicherweise eine richtige Aktion des Aktors 6 darstellen, wird zyklisch eine erfindungsgemäße Überprüfung durchgeführt. Hierfür wurde im Vorfeld in einer Lernphase durch den Aktor 6 eine vordefinierte Aktion durchgeführt, beispielsweise das Betätigen des Bedienelements 8.
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Der Sensor 7 erfasst diese vordefinierte Aktion und übermittelt ein entsprechendes Sensorsignal 9 an die Steuereinrichtung 5. Da in der Lernphase sichergestellt wurde, dass dieses Sensorsignal 9 korrekt ist, speichert die Steuereinrichtung 5 dieses Sensorsignal 9 als ein erwartetes Sensorsignal 10 in einer Speichereinheit 11 ab. Bei der späteren erfindungsgemäßen Überprüfung lässt die Steuereinrichtung 5 den Aktor 6 eine vordefinierte Aktion durchführen. Diese wird von dem Sensor 7 erfasst, der ein Sensorsignal 9 erzeugt und an die Steuereinrichtung 5 übermittelt. Die Steuereinrichtung 5 vergleicht das erzeugte Sensorsignal 9 mit dem abgespeicherten erwarteten Sensorsignal 10. Bei einer Übereinstimmung arbeitet der Sensor 7 korrekt und die Überprüfung war in Ordnung. Falls eine Abweichung zwischen dem erzeugten Sensorsignal 9 und dem erwarteten Sensorsignal 10 festgestellt wird, leitet die Steuereinrichtung 5 definierte Maßnahmen ein, beispielsweise ein sofortiges Stoppen des Schienenfahrzeugs 1 und eine entsprechende Alarmmeldung an eine entfernte Leitstelle.
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Alternativ zu der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung 4 auch andere Aktoren 6 oder/oder Sensoren 7 aufweisen. Anstatt einer Kamera kann der Sensor 7 beispielsweise auch ein Mikrofon sein, das anormale Fahrgeräusche bei der Fahrt des Schienenfahrzeugs 1 erkennen soll. Wiederum alternativ kann der Aktor 6 beispielsweise auch ein Schwingungssensor sein, der unnormale Vibrationen des Schienenfahrzeugs 1 während der Fahrt erkennt. Der Sensor 7 kann auch ein Thermometer sein, das ungewöhnliche Temperaturentwicklungen registriert. Zu diesen Sensoren 7 werden entsprechende Aktoren 6 zugeordnet, die beispielsweise ausschließlich zum Überprüfen der Sensoren 7 vorhanden und im normalen Fahrbetrieb nicht nötig sind. Solche alternativen Aktoren 6 sind beispielsweise ein Tongenerator, ein Vibrationsgenerator oder ein Kälte- oder Heizelement.
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Bei der Verwendung eines Tongenerators als Aktor 6 und eines Mikrofons als Sensor 7 kann der Tongenerator beispielsweise Töne oder Frequenzen erzeugen, die außerhalb des normalen Fahrgeräusches des Schienenfahrzeugs 1 liegen und für eine Fehlfunktion oder gefährliche Situation repräsentativ sind. Diese werden von dem als Mikrofon ausgestalteten Sensor 7 erfasst. Hieraus erzeugt der Sensor 7 wiederum ein Sensorsignal 9, das in der Steuereinrichtung 5 mit dem entsprechenden abgespeicherten erwarteten Sensorsignal 10 verglichen wird.
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Das beschriebene erfindungsgemäße Überprüfen des Aktors und/oder Sensors des Schienenfahrzeugs 1 hat den weiteren Vorteil, dass auf eine sonst übliche Redundanz bei der Ausgestaltung der Sensoren verzichtet werden kann, weil erfindungsgemäß eine Verfahrenssicherung vorliegt. Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei einem Nachrüsten eines konventionellen Schienenfahrzeugs 1 auf automatisiertes Fahren von Vorteil, da die erfindungsgemäße Vorrichtung 4 keine Schnittstelle zu den herkömmlichen Elementen des Schienenfahrzeugs 1 haben muss.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4, bei der die Steuereinrichtung 5 mit verschiedenen Aktoren 6 und Sensoren 7 verbunden ist. Der Sensor 7.1 ist beispielsweise ein Mikrofon, das auf ihn treffende Geräusche 12 erfasst. Der Sensor 7.2 ist beispielsweise eine Kamera, wie in 2 dargestellt, also ein optischer Sensor, der optische Signale 13, wie eine Roboterarmbewegung oder eine Displayveränderung, erfasst. Der Aktor 6.1 erzeugt wiederum optische Signale 13, wie beispielsweise die mit Bezug auf 2 beschriebene Bewegung eines Roboterarms. Der Aktor 6.2 ist beispielsweise ein Tongenerator, der Geräusche 12 erzeugt. Die Steuereinrichtung 5 kann wiederum mit der automatischen Zugsteuerung 14 verbunden sein, die auch als ATO (Automatic Train Operation) bezeichnet wird. Die automatische Zugsteuerung 14 und die Steuereinrichtung 5 können auch als eine gemeinsame Steuerung ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß werden die von den Aktoren 6, 6.1, 6.2 erzeugten Aktionen, wie die optischen Signale 13 oder Geräusche 12, von den Sensoren 7, 7.1, 7.2 erfasst.
