DE102017207782A1

DE102017207782A1 - Erleichterung des Einstiegs in Fahrzeuge für Blinde und Sehbehinderte

Info

Publication number: DE102017207782A1
Application number: DE102017207782.4A
Authority: DE
Inventors: Fabian Rimmele; Nele Tornow; Dirk Thamm; Jens Müller; Robert Weidner
Original assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: DE102017207782B4

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bezugspunkts (14a-14d) an einem zum Halten gekommenen Fahrzeug (1) relativ zu einem Ausgangspunkt (21), an dem das Fahrzeug (1) während des Anhaltevorgangs zumindest teilweise vorbeigefahren ist, wobei aus dem Zeitverlauf eines an dem Ausgangspunkt (21) während des Anhaltevorgangs des Fahrzeugs (1) aufgezeichneten, von mindestens einer an dem Fahrzeug (1) angeordneten Schallquelle (11a, 11b, 13a, 13b) ausgehenden Signals (15, 15') die Position der Schallquelle (11a, 11b, 13a, 13b) als Position des Bezugspunkts (14a-14d) ausgewertet wird.
Hilfsmittel (3) für Blinde und Sehbehinderte zur Navigation in Richtung des Einstiegs (16a-16i) in ein Fahrzeug (1), umfassend mindestens ein Mikrofon (31) zur Aufnahme eines von dem Fahrzeug (1) während des Anhaltevorgangs ausgehenden Schallsignals (15), eine Auswerteeinheit (32), welche dazu ausgebildet ist, mit dem Verfahren gemäß der Erfindung die Position eines Bezugspunkts (14a-14d) an dem Fahrzeug (1) zu ermitteln, sowie eine Ausgabeeinheit (33) zur Ausgabe eines hörbaren und/oder fühlbaren Signals (56), das in Richtung des Einstiegs (16a-16i) weist.
Zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das Blinden und Sehbehinderten das Auffinden des nächstgelegenen Einstiegs in Schienen- und Straßenfahrzeugen erleichtert, sowie ein zugehöriges Hilfsmittel und Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Blinde und Sehbehinderte sind nicht in der Lage, selbst Schienen- oder Kraftfahrzeuge oder andere Fortbewegungsmittel zu führen, und daher für ihre Mobilität in hohem Maße auf öffentliche Verkehrsmittel angewiesen. Besonders schwierig gestaltet sich der Einstieg in Verkehrsmittel des öffentlichen Fern- und Nahverkehrs wie Schienenfahrzeuge, da die entsprechenden Haltestellen, auch im Vergleich zu Bushaltestellen, deutlich weitläufiger sind und beim Fahrgastwechsel eine Vielzahl von Türen zu benutzen ist. Es ist nur mit großem Kostenaufwand möglich, an jeder Haltestelle entsprechend viele Markierungen anzubringen, und derartige Markierungen sind auch nur dann von Nutzen, wenn das Verkehrsmittel bei jedem Halt immer an genau der gleichen Position zum Stillstand kommt. Dies ist schwierig zu gewährleisten und kostet bei jedem Halt zusätzliche Zeit, die in die Fahrpläne einzuarbeiten ist.
Aus der US 7,706,212 B1 und aus der US 8,922,759 B2 sind Blindenstöcke mit Sensoren bekannt, die Hindernisse in der Umgebung erkennen und hierüber eine fühlbare Rückmeldung geben. Die EP 2 641 579 A1 offenbart darüber hinaus, durch die Kombination mehrerer Sensoren verschiedene Arten von Objekten in der Umgebung voneinander zu unterscheiden. Diese Geräte melden jedoch zunächst nur das Schienenfahrzeug als Ganzes und liefern keine Information darüber, wo sich der nächstgelegene Einstieg befindet. Ein blinder oder sehbehinderter Fahrgast muss also nach dem Anhalten in einer Richtung am Zug entlanglaufen, bis er einen Einstieg ertasten kann oder dieser in den Erfassungsbereich der genannten Hilfsmittel gerät. Hierbei kann es im ungünstigsten Fall vorkommen, dass er die volle Distanz zwischen zwei Einstiegen zurücklegt, statt einen in der anderen Richtung in unmittelbarer Nähe befindlichen Einstieg zu benutzen.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Einstieg blinder oder sehbehinderter Fahrgäste in Fahrzeuge zu erleichtern, ohne dass hierfür Veränderungen an den Fahrzeugen oder an den Haltestellen vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch, ein Hilfsmittel gemäß Nebenanspruch sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß weiterem Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bezugspunkts an einem zum Halten gekommenen Fahrzeug relativ zu einem Ausgangspunkt entwickelt. Dieser Ausgangspunkt kann insbesondere der aktuelle Standort des Fahrgastes sein, der zusteigen möchte. Das Verfahren geht davon aus, dass das Fahrzeug während des Anhaltevorgangs zumindest teilweise an dem Ausgangspunkt vorbeigefahren ist. Dies ist insbesondere bei Schienenfahrzeugen, aber auch bei anderen Verkehrsmitteln, regelmäßig der Fall, da sich typischerweise eine Vielzahl von Einstiegen über die Zuglänge verteilt und gleichzeitig keiner der Einstiege unmittelbar an der Zugspitze angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird aus dem Zeitverlauf eines an dem Ausgangspunkt während des Anhaltevorgangs des Fahrzeugs aufgezeichneten, von mindestens einer an dem Fahrzeug angeordneten Schallquelle ausgehenden Signals die Position der Schallquelle als Position des Bezugspunkts ausgewertet.
Es wurde erkannt, dass gerade beim Anhaltevorgang von Schienenfahrzeugen das durch die Wechselwirkung zwischen Rad und Schiene sowie durch den Fahrtwind erzeugte Fahrgeräusch in den Hintergrund tritt. Das vom Schienenfahrzeug ausgehende Geräusch wird somit von definierten Schallquellen dominiert, die am Schienenfahrzeug angeordnet sind. Dabei ist es möglich, aber nicht notwendig, derartige Schallquellen eigens für die Führung von Blinden oder Sehbehinderten am Schienenfahrzeug anzubringen. Jedes Schienenfahrzeug verfügt typischerweise über eine hinreichende Anzahl ohnehin vorhandener Schallquellen, die sich für diesen Zweck nutzen lassen. Beispielsweise können angetriebene Drehgestelle, Bremsen oder auch Hilfsaggregate, wie Luftpresser oder Klimaanlagen, verwendet werden.
Der Grundgedanke ist hierbei, aus dem registrierten Signal in irgendeiner Weise auf die Geschwindigkeit und/oder Verzögerung des Fahrzeugs zu schließen und hieraus wiederum die Entfernung zu dem Punkt zu ermitteln, an dem die Schallquelle zum Stehen gekommen ist. Die Schallquelle selbst ist an dem Fahrzeug an einer festen Position angeordnet. Ist also der Typ des Fahrzeugs bekannt, so lässt sich aus der Position der Schallquelle unmittelbar die Position des zum Ausgangspunkt nächstgelegenen Einstiegs ableiten.
Üblicherweise kommen in einem örtlichen Nahverkehrsnetz nur Fahrzeuge eines oder einiger weniger Typen zum Einsatz, wobei die Typen sich im Geräusch voneinander unterscheiden. Es ist daher möglich, per Gehör oder auch über eine automatische Erkennung den Fahrzeugtyp zu ermitteln und die Auswertung entsprechend zu konfigurieren.
Eine Möglichkeit, die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu ermitteln, besteht darin, die Doppler-Verschiebung des vom Fahrzeug ausgehenden Schallsignals zu bestimmen. Diese Bestimmung kann beispielsweise von der Annahme ausgehen, dass die für die Auswertung gewählte Schallquelle auf einer bekannten festen Frequenz emittiert. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Doppler-Verschiebung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in dem Moment, in dem die Schallquelle den Messort passiert, das Vorzeichen wechselt. Dadurch vermindert sich in diesem Moment die Frequenz des Signals. Vorteilhaft wird also der Moment, in dem mindestens eine Komponente des Signals die Frequenz wechselt, als der Moment gewertet, in dem die Schallquelle den Ausgangspunkt passiert hat.
Prinzipiell kann das Verfahren bereits unter Nutzung nur einer Schallquelle durchgeführt werden. So kann beispielsweise bei lokbespannten Zügen die Lok die dominierende Schallquelle sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch das von einer Mehrzahl von an dem Fahrzeug angeordneten Schallquellen ausgehende Signal ausgewertet. Dann können deutlich mehr Informationen genutzt werden, mit denen die Genauigkeit weiter gesteigert werden kann.
So ist beispielsweise bei vielen S- und U-Bahn-Zügen, aber beispielsweise auch beim ICE 3, der Antrieb auf verschiedene, entlang der gesamten Zuglänge verteilte, angetriebene Drehgestelle aufgeteilt, so dass diese angetriebenen Drehgestelle als Schallquellen verwendet werden können. Auch die Bremsanlage ist typischerweise auf viele Achsen verteilt, so dass Signale von einer Mehrzahl Bremsen zur Verfügung stehen.
Beispielsweise kann ein lokales Intensitätsmaximum in dem Signal als Moment gewertet werden, in dem eine der Schallquellen den Ausgangspunkt passiert hat. Jeder solche Moment liefert somit eine neue Eichung, von der aus beispielsweise durch Integration einer ermittelten Geschwindigkeit und/oder Verzögerung des Fahrzeugs die letztendliche Position, in der die Schallquelle zum Halten gekommen ist, ermittelt werden kann. Die Genauigkeit wird hierdurch deutlich verbessert, da die Geschwindigkeit sich während des Anhaltevorgangs naturgemäß ständig ändert und auch die Verzögerung nicht notwendigerweise konstant ist.
Beispielsweise kann aus der Zeitdauer Δt zwischen den Momenten, in denen zwei Schallquellen jeweils den Ausgangspunkt passiert haben, eine durchschnittliche Geschwindigkeit v und Beschleunigung a des Fahrzeugs ermittelt werden. Die Verzögerung des Fahrzeugs kann dann beispielsweise aus der Änderung dieser Zeitdauer ermittelt werden.
Einige Schallquellen, wie beispielsweise Bremsen oder bestimmte angetriebene Drehgestelle, erzeugen ein Geräusch, dessen Stärke von der aktuell auf das Fahrzeug ausgeübten Bremskraft abhängt. Daher wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Zunahme der Intensität des Signals dahingehend gewertet, dass sich die Verzögerung des Fahrzeugs ändert. Diese Zunahme ist von einem lokalen Maximum beispielsweise dahingehend unterscheidbar, dass sie nicht nur momentan ist. Sie kann auch beispielsweise einen anderen Betrag haben als eine derartige momentane Zunahme, die auftritt, wenn die Schallquelle den Ausgangspunkt passiert.
Das Signal kann in dieser Hinsicht insbesondere zum Ende des Anhaltevorgangs hin besonders aussagekräftig sein, denn in dieser Phase verändert der Triebfahrzeugführer die Verzögerung typischerweise, um an einem mehr oder weniger definierten Punkt zum Stehen zu kommen (Zielbremsung), und am Ende des Anhaltevorgangs fällt die Verzögerung auf null.
Obwohl gerade Blinde und Sehbehinderte über einen besonders leistungsfähiges Gehör verfügen, können sie die beschriebene Auswertung des vom Fahrzeug ausgehenden Schallsignals nicht ohne maschinelle Hilfe durchführen. Die interessierenden Signalanteile sind in der Regel in einem starken Rauschen verborgen. Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Signal analog oder digital gefiltert, beispielsweise tiefpass- oder bandpassgefiltert. Hierfür kann beispielsweise ein Butterworth-Filter 4. Ordnung verwendet werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Hilfsmittel für Blinde und Sehbehinderte zur Navigation in Richtung des Einstiegs in ein Fahrzeug. Dieses Hilfsmittel umfasst mindestens ein Mikrofon zur Aufnahme eines von dem Fahrzeug während des Anhaltevorgangs ausgehenden Schallsignals, eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgebildet ist, mit dem Verfahren gemäß der Erfindung die Position eines Bezugspunkts an dem Fahrzeug zu ermitteln, sowie eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe eines hörbaren und/oder fühlbaren Signals, das in Richtung des Einstiegs weist. Beispielsweise kann das Hilfsmittel in einen Blindenstock integriert sein und dessen Funktion ergänzen.
In dem Hilfsmittel selbst ist die zur Verfügung stehende Rechenleistung und Batteriekapazität beschränkt. Analog zu Spracherkennungssystemen in Smartphones, wie beispielsweise „Siri“, kann es daher sinnvoll sein, die Rohdaten oder ein Komprimat hiervon auf einem externen Server zu verarbeiten. Vorteilhaft weist daher die Auswerteeinheit eine Kommunikationsschnittstelle zur Übermittlung des Schallsignals an einen externen Server auf, auf den die Ermittlung der Position des Bezugspunkts zumindest teilweise ausgelagert ist.
Die Ausgabeeinheit des Hilfsmittels kann beispielsweise einen Vibrationsmotor umfassen und unterschiedliche Vibrationsfolgen als Signale ausgeben, die in Richtung des Einstiegs weisen.
Das Verfahren setzt nicht zwingend eine dedizierte Hardware voraus. Die meisten Menschen tragen in Form eines Smartphones bereits eine sehr leistungsfähige Universalelektronik ständig bei sich. So ist es beispielsweise auch möglich, das Verfahren mit einem Smartphone, einer Smartwatch oder einem anderen tragbaren elektronischen Gerät durchzuführen, wobei eine Smartwatch den besonderen Vorteil hat, dass sie unverlierbar am Körper getragen werden kann. Weiterhin kann ein existierender intelligenter Blindenstock, der einen Schallsensor und Mittel zur Signalverarbeitung aufweist, durch ein Software-Update dahingehend modifiziert werden, dass er als Hilfsmittel gemäß der Erfindung funktioniert. Eine derartige Software, bzw. eine App für ein Smartphone, Smartwatch oder ein anderes tragbares Gerät, ist ein eigenständig verkaufbares Produkt. Auch eine Software für einen Server, auf den die Signalverarbeitung für das Hilfsmittel zumindest teilweise ausgelagert ist, ist ein weiteres eigenständig verkaufbares Produkt.
Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, einem Smartphone, einer Smartwatch oder einem anderen tragbaren elektronischen Gerät ausgeführt werden, den Computer, das Smartphone, die Smartwatch bzw. das Gerät

• dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen, und/oder
• zu einem Hilfsmittel gemäß der Erfindung aufwerten, und/oder
• dazu veranlassen, bei der Ermittlung der Position des Bezugspunkts mit einem Hilfsmittel gemäß der Erfindung zusammenzuwirken.

Figurenliste
Nachstehend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand von Figuren im Rahmen einer Fallstudie im Hamburger S-Bahn-Netz näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:

1: Prinzipskizze eines Schienenfahrzeugs 1, dessen angetriebene Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b als Schallquellen für das Verfahren genutzt werden können;
2: Beispielhafter Ablauf der Auswertung eines Tonsignals 15;
3: Weitergehende Erläuterung der Auswertungsschritte: diskretisiertes Rohsignal 15' (Teilbild a); Frequenzspektrum F(15') (Teilbild b); gefilterte Version F'(15') des Frequenzspektrums (Teilbild c); rücktransformiertes gefiltertes Signal 52 (Teilbild d); Absolutbetrag 53 des Signals 52 (Teilbild e); Bestimmung der Maxima 54a-54g und der Baseline 55 (Teilbild f); Unterscheidung der letzten Bremsphase von der vorherigen weniger starken Bremsphase (Teilbild g).
4: Beispielhafte Ausführungsform eines Hilfsmittels 3, das mit einem externen Server 34 zusammenwirkt.

Das Konzept sieht vor, dass die Geräusche der einfahrenden Bahn mit Hilfe eines oder insofern erforderlich mehreren Mikrofonen aufgenommen werden. Mit Hilfe der in dem Signal enthaltenen Informationen sollen die Positionen der Bahntüren identifiziert werden. Das analoge Signal wird auf Grundlage einer vorher eingestellten Abtastrate in ein diskretes Signal, eine Zahlenfolge, umgewandelt. Dieses diskrete Signal wird analysiert und insofern erforderlich hierfür mit digitalen Filtern bearbeitet, um die für die örtliche Identifizierung der Hauptschallquellen wesentlichen Signale herauszufiltern. Das gefilterte Signal kann dann zur Bestimmung der relativen Position zu einer Tür genutzt werden.
Fährt eine Bahn in einen Bahnhof ein, gibt es verschiedene Geräuschquellen, die sich in der Tonspur unterscheiden lassen. Charakteristische Merkmale sind hierbei zu identifizieren und als Referenz zu verwenden. Eine S-Bahn wird nicht durchgehend angetrieben, sondern besteht aus verschiedenen Teilen, die verschiedene Funktionen haben. So besteht ein Zug in Hamburg immer aus 3, 6 oder 9 Wagen. Dies resultiert daraus, dass 3 Wagen immer einen Kurzzug bilden.
Dieser Aufbau ist in 1 skizziert. Bei den 3 Wagen 11, 12 und 13 des Zuges 1 sind die äußeren Wagen 11 und 13 die, die den Zug 1 antreiben (Triebfahrzeuge), da sie angetriebene Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b besitzen, während der mittlere Wagen 12 nicht angetrieben wird. Durch diese Konstellation sind die Hauptgeräuschquellen die angetriebenen Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b der äußeren Wagen 11 und 13. Von einem Mikrofon 31 an dem Hilfsmittel 3, das von einer Person 2 in der Hand gehalten wird, wird das Tonsignal 15 der Bahn 1 an einem fixen Ausgangspunkt 21 auf dem Bahnsteig 4, an dem der Zug 1 einfährt, aufgenommen. Das Tonsignal 15 setzt sich zusammen aus Komponenten 15a, 15b, 15c und 15d, die von den angetriebenen Drehgestellen 11a, 11b, 13a und 13b emittiert werden. Im Zeitverlauf des Tonsignals 15 sind die Positionen 14a-14d der angetriebenen Drehgestelle 11a, 11b, 13a und 13b, die als Bezugspunkte zum Auffinden der Einstiegstüren 16a-16i des Zuges 1 verwendet werden können, kodiert. Die Anordnung der Einstiegstüren 16a-16i relativ zu den Bezugspunkten 14a-14d ist durch den technischen Bauplan des Zuges 1 vorgegeben.
Das Tonsignal 15 wird von dem Aufnahmegerät des verwendeten Messaufbaus direkt von einem analogen in ein digitales Signal umgewandelt. Es findet eine A/D-Wandlung statt.
Das erhaltene digitale Signal kann nun verarbeitet und ausgewertet werden. Je nach Signal lassen sich verschiedene Filter anwenden, um das Signal entsprechend zu bearbeiten, z.B. um ein „Dauerrauschen“ vom relevanten Tonmaterial zu unterscheiden. Welcher Filter sich anbietet, lässt sich durch die Analyse des Frequenzspektrums des digitalen Signals herausfinden. Befinden sich beispielsweise die relevanten Frequenzen im hochfrequenten Bereich, so wird ein Hochpass-Filter eingesetzt. Dieser Filter schneidet bis zu einer bestimmten Frequenz alles heraus. Es wird also nur das durchgelassen, was am Ende im Signal vorhanden sein soll. In diesem Beispiel die hochfrequenten Geräusche.
2 gibt einen Überblick über eine beispielhafte Vorgehensweise. Ausgehend von dem analogen Tonsignal 15 wird zunächst in Schritt 101 zu einem diskreten Signal 15' diskretisiert. In Schritt 102 wird die Fourier-Transformierte F(15') des Signals 15 gebildet. In Schritt 103 wird diese Fourier-Transformierte F(15') im Frequenzraum mit einem Filter 51 gefiltert. Nach Rücktransformation 104 in die Zeitdarstellung wird ein gefiltertes Signal 52 erhalten, in dem bereits definierte Peaks zu erkennen sind.
Um diese Peaks klarer herauszuarbeiten, werden in Schritt 105 die Absolutwerte des gefilterten Signals 52 gebildet, woraufhin das Ergebnis 53 erhalten wird. In Schritt 106 werden die Maxima 54a und 54b bestimmt, und in Schritt 107 wird eine Baseline 55 für den Untergrund bestimmt.
In den Augenblicken der Maxima des Tonsignals 15' fahren die angetriebenen Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b der Bahn 1 am Mikrofon 31 vorbei. Mit Hilfe dieser Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b lassen sich mindestens zwei Punkte an der Bahn 1 feststellen, die in einer bestimmten Zeit vorbeigefahren sind. Um die endgültige Position 21 der blinden Person 2 relativ zur Bahn 1 zu berechnen, benötigen wir die negative Beschleunigung der Bahn 1, da gilt s= 0,5*a*t², wobei s der Strecke zwischen der blinden Person 2 und dem letzten verwendeten Messpunkt entspricht.
Um die partielle Geschwindigkeit v zu berechnen, verwenden wir die Formel v=Δs/Δt für die gleichförmige Bewegung. Dabei ergibt sich Δs aus der Subtraktion der Position eines ersten Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b von der Position eines zweiten Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b und Δt durch die Subtraktion der Zeit dieses ersten Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b von der Zeit des zweiten Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b, wobei die Zeit erst auf Grundlage der voreingestellten Abtastrate von Samples pro Zeiteinheit in eine tatsächliche Zeit t umgerechnet werden muss.
Δt ist somit die vergangene Zeit zwischen dem Vorbeifahren des o.g. ersten angetriebenen Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b und dem Vorbeifahren des zweiten angetriebenen Drehgestells 11a, 11b, 13a, 13b. Mit Hilfe der sich daraus ergebenden Geschwindigkeit v lässt sich die Beschleunigung a durch a=v/t bestimmen. Dabei wird nur die Beschleunigung zwischen den letzten beiden Messpunkten berechnet. Bei dieser Beschleunigung wird von einer mittleren Beschleunigung ausgegangen.
Um die Beschleunigung zwischen dem letzten Messpunkt und dem Stillstand des Zuges zu bestimmen, wird der Koeffizient c eingeführt. Dabei wird von einer Durchschnittsbeschleunigung zwischen den letzten beiden Messpunkten ausgegangen, die sich aus mehreren Beschleunigungen zusammensetzt. Die Beschleunigung im letzten Teil des Bremsvorganges ist dabei ein Vielfaches (>1) der vorangegangenen Beschleunigungen. Der Koeffizient gibt dabei an, aus wie vielen Beschleunigungen sich die Durchschnittsbeschleunigung zusammensetzt. Die Einteilung in mehrere Beschleunigungen geschieht auf Grundlage des Signals der Bahn, bei dem sich die Amplitude U ebenfalls zum Zeitpunkt der verstärkten letzten Beschleunigung erhöht. Die Breite des Amplitudenausschlags auf der x-Achse bestimmt dabei die Einteilung der gesamten Durchschnittsbeschleunigung.
Durch die Annahme, dass die Beschleunigungen bis auf die letzte dem Betrag 0 entsprechen, ergibt sich der Koeffizient c als Faktor, der das Verhältnis der letzten Teilbeschleunigung zur Durchschnittsbeschleunigung bestimmt. (a[letzte_Teilbeschleunigung]=c*a[Durchschnittsbeschleunigung]). Eingesetzt in die Formel für die Strecke ergibt sich schlussendlich näherungsweise der Weg, den die Bahn 1 nach dem letzten verwendeten Messpunkt noch zurückgelegt hat. Zu diesem wird nun die Länge des Zuges bis zu diesem Messpunkt addiert, um den gesamten zurückgelegten Weg der Bahn vor der Position 21 der Person 2 zu bestimmen (hierfür haben wir vom HVV die technischen Daten der betrachteten S-Bahn der Baureihe 474 erhalten). Subtrahiert man diesen von der gesamten Länge der Bahn, entspricht das Ergebnis der Position relativ zu der Bahn.
Hierzu werden in Schritt 108 die Maxima 54a, 54b der Position der jeweiligen angetriebenen Drehgestelle 11a, 11b, 13a und 13b an der Bahn 1 zugeordnet. In Schritt 109 wird hieraus die Position 21 der Person 2 relativ zur Bahn 1 bestimmt und mit der Positionierung der Türen 16a-16d verglichen. Hieraus wird die Position der nächsten geöffneten Tür 16a des Zuges 1 relativ zum Ausgangspunkt 21 bestimmt, und in Schritt 110 wird von dem intelligenten Blindenstock 3 eine entsprechende Handlungsanweisung an die Person 2 ausgegeben. Auf diese Weise kann die Person 2 die geöffnete Tür 16a schnell finden.
Ein Test des Verfahrens wurde mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Bahn AG am Hamburger S-Bahnhof Eidelstedt vorgenommen. Hierzu wurde das Tonsignal 15 der Bahn 1 mit vier Mikrofonen in Höhen von 21 cm, 55 cm, 100 cm und 175 cm über dem Bahnsteig 4 aufgezeichnet, um im Nachhinein die optimale Höhe bestimmen zu können. Zusätzlich wurde eine Videoaufzeichnung angefertigt.
Zudem wurden die Aufnahmen an verschiedenen Punkten des Bahnsteigs vorgenommen, um auch hier die optimale Standposition zu bestimmen. Einmal fanden die Aufnahmen kurz vor dem Stillstand der Bahnen, also fast am Ende des Bahnsteigs, statt; das andere Mal sehr weit am Anfang des Bahnsteigs, sodass die Bahn zum Großteil an den Mikrofonen vorbeifuhr.
Die Tiefen auf dem Bahnsteig, also der Abstand zur Bahnsteigkante, betrugen 110 cm, 190 cm, 245 cm. An jedem einzelnen Messpunkt haben wir ohne Veränderung der aktuellen Messposition vier Aufnahmen der einfahrenden S-Bahnen vorgenommen. Bei diesen S-Bahnen handelte es sich um Bahnen der Linien S21 und S3.
Die Aufnahmen der Mikrofone wurden durch Kameraaufnahmen ergänzt, damit das akustische Signal später in der Verarbeitung mit dem optischen verglichen werden kann. Als Synchronisationssignal verwendeten wir ein Klatschen, das sowohl im akustischen als auch im optischen Signal eindeutig zu identifizieren war. Für zwei der vier verwendeten Mikrofone war dieses Synchronisationssignal irrelevant, da sie in direkter Verbindung zur Kamera standen und durch deren Aufnahmeaktivierung ebenfalls aktiviert wurden. Die beiden einzelnen Mikrofone haben im WAV-Format mit 96kHz/24Bit aufgenommen.
3a zeigt das diskretisierte digitale Originalsignal 15'. Die Sichtung des Tonmaterials zeigte, dass die Amplituden deutlich höher sind und so mehr Informationen entnommen werden können, wenn man direkt am Anfang des Bahnsteigs 4 die Aufnahmen vornimmt, als bei Aufnahmen kurz vor Ende des Bahnsteigs 4. Aus diesen noch ungefilterten Aufnahmen ist bereits ein sich immer wiederholendes Amplitudenmuster zu erkennen, das die zeitliche Abfolge der Hauptschallquellen (angetriebene Drehgestelle 11a, 11b, 13a und 13b) beinhaltet.
Der Beginn des Zuges 1 ist nicht direkt zu sehen in dem Tonsignal, wie wir uns erhofft hatten. Sichtbar sind jedoch die einzelnen angetriebenen Drehgestelle 11a, 11b, 13a und 13b, welche sich aufgrund lokaler Maxima bereits annähernd bestimmen lassen. Zudem lässt sich eine Art „Schallkeule“ identifizieren, die die Bahn 1 vor sich her in den Aufnahmebereich 31 des Mikrofons 3 schiebt. Gab es in der Tonspur 15' ein auffälliges Minimum oder Maximum, so sahen wir uns die entsprechenden Frames des Videos an, sodass sich nach und nach ein Bild der vorbeigefahrenen Bahn 1 nur durch die Tonspur 15' abzeichnete. Durch diesen Vergleich von Ton- und Bildmaterial fiel auf, dass sich, je länger und schneller der Zug 1 noch an den Mikrofonen 31 vorbeifährt, eine ansteigende Zeitverzögerung des Tonmaterials 15' entsteht, was mit dem Doppler-Effekt gepaart mit der negativen Beschleunigung bei Einfahrt in den S-Bahnhof zusammenhängt.
Das Signal mit den für uns am besten zu verarbeitenden Amplituden U ist eines, das direkt am Anfang des Bahnsteigs 4 aufgenommen ist. In diesem Signal lassen sich jedoch ein Teil der Maxima nicht genügend spezifizieren. Das Signal enthält noch viele Störgeräusche, die die Auswertung erschweren.
3b zeigt das Frequenzspektrum F(15') des in 3a dargestellten Signals 15'. 3c zeigt das Frequenzspektrum F'(15'), das sich nach Anwendung eines Butterworth-Bandpassfilters vierter Ordnung auf das Frequenzspektrum F(15') ergibt. 3d zeigt das Ergebnis 52 dieser Filterung.
Mit Hilfe des Butterworth Bandpassfilters 51 wird das Frequenzspektrum F(15') des digitalen Eingangssignals 15' mit dem Ziel bearbeitet, nur die für uns wichtigsten Informationen zu extrahieren. Dieses Filter 51 bildet ein Fenster (ähnlich einer steilen Glockenkurve), das über das Frequenzband des Signals 15' gelegt wird. In diesem Fall wird nur der Frequenzbereich von 0,04 bis 0,06 in unserem normierten Frequenzspektrum von 0 bis 1 extrahiert. In diesem Bereich verschwindet der Großteil der Störgeräusche, und es bleibt nur das Signal 52, das relevante Informationen enthält.
Eine Bestimmung der Maxima ist nun schon übersichtlicher, da es weniger Maxima sind, doch es lässt sich programmatisch noch nicht sagen, welche der Maxima den angetriebenen Drehgestellen 11a, 11b, 13a und 13b entsprechen und welche den Störgeräuschen. Daher werden im nächsten Schritt die Absolutwerte 53 des gefilterten Signals 52 gebildet (3e) mit dem Ziel, anschließend einen Mittelwertfilter zur Glättung verwenden zu können. Ohne vorherige Bildung der Absolutwerte könnte das Signal 52 möglicherweise verfälscht werden: Beispielsweise wird eine sinusförmige Grundschwingung um die Nullachse je nach Anzahl der betrachteten Werte stark verändert oder gar völlig ausgelöscht. Das Signal 52 wäre hierfür prinzipiell anfällig, da es entfernt dem analogen Signal einer Sinusschwingung ähnelt.
Nach der Bildung der Absolutwerte, bei der auch die negativen Amplituden auf die positive Skala übertragen werden (kein Informationsverlust), lässt sich ein Mittelwertfilter anwenden. Durch diesen lassen sich klar die Maxima 54a-54g definieren (3f). Um die relevanten Maxima 54a-54g noch besser von den irrelevanten (ohne Bezugszeichen) unterscheiden zu können, wird eine Baseline 55 verwendet. Dies ist eine Grenze, die wir setzen, unter der die berechneten Maxima als Drehgestell-Maxima ausgeschlossen werden. Die Höhe dieser Baseline 55 ist von der allgemeinen Amplitudenausprägung der Maxima im Verhältnis zueinander abhängig.
Sind nun diese Maxima bestimmt, ist bei unserem Signal aufgefallen, dass es nur 7 Maxima 54a-54g sind, obwohl auf dem Videofilm deutlich erkennbar ist, dass bereits 8 angetriebene Drehgestelle 11a, 11b, 13a, 13b die Aufnahmeposition 21 passiert haben. Diese Abweichung rührt daher, dass das letzte angetriebene Drehgestell 11a, 11b, 13a, 13b des dritten Wagens und das erste angetriebene Drehgestell 11a, 11b, 13a, 13b des vierten Wagens nahezu direkt aufeinander folgen. An dieser Stelle befindet sich der Übergang des ersten Verbandes mit dem zweiten Verband von jeweils drei Abteilen. Dadurch gehen diese beiden Schallkeulen ineinander über, wobei hier das Zentrum der resultierenden Schallkeule annähernd der zeitlichen und örtlichen Trennlinie zwischen Wagen 3 und Wagen 4 entspricht. Die angetriebenen Drehgestelle lassen sich nun alle einer Position an der Bahn 1 zuordnen.
Im nächsten Schritt werden die Geschwindigkeiten zwischen den einzelnen Messpunkten bestimmt, um festzulegen, ab welchem Messpunkt sich die Bahn 1 nicht mehr in einer gleichmäßigen Bewegung, sondern eindeutig in einer gleichmäßig verzögerten Bewegung befindet. Für die Beschleunigung a₀ zwischen den Messpunkten, zwischen denen sich die Bahn 1 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit vo bewegt, gilt ao=0. Diese Beschleunigung wird in der Berechnung der zurückgelegten Strecke der vorbeifahrenden Bahn 1 für die letzten beiden Punkte, zwischen denen sich eine gleichmäßige Geschwindigkeit relativ zu den vorangegangenen Geschwindigkeiten zwischen den Messpunkten benennen lässt, verwendet. Für die Strecke zwischen den letzten beiden Messpunkten wird die tatsächliche Strecke zwischen den zugehörigen Drehgestellen 11a, 11b, 13a, 13b verwendet, sodass sich aus Gründen der Übersichtlichkeit hier auch eine Beschleunigung für die Berechnung der Strecke, die aber auf Grundlage der Strecke stattfindet, a₁ (=a_w) bestimmen lässt. Die zurückgelegte Strecke vom letzten Messpunkt bis zum Stillstand des Zuges lässt sich durch s=0,5*c*a₁*t₂ ² bestimmen. Die Beschleunigung mit dem Koeffizienten c ergibt sich aus der vorangegangenen Beschleunigung a₁ (=a_w), die als mittlere Beschleunigung zwischen den Messpunkten interpretiert und in gleichgroße Teile auf der Zeitachse geteilt wird auf Grundlage der Änderung des Amplitudenausschlags kurz vor dem letzten Messpunkt. Bei der Beschleunigung in dem letzten Abschnitt der gesamten Beschleunigung a₁ (=a_w) wird ebenfalls auf Grund der Amplitude U angenommen, dass sie der Beschleunigung nach dem letzten Messpunkt bis zum Stillstand des Zuges 1 entspricht. Unter der Annahme, dass alle Teilbeschleunigungen bis auf die erste und letzte null betragen, ergibt sich für den Koeffizienten c: $c = \frac{1}{w + 1} \cdot \sum_{i = 0}^{w} d a_{i} .$
Die Einteilung der letzten Beschleunigung zur Bestimmung von c ist in 3g erläutert.
Somit ergibt sich für die Berechnung der gesamten Strecke s, die der Zug 1 an der Person 2 vorbeigefahren ist: $s = (\frac{1}{2} a_{0} t_{0}^{2}) + (\frac{1}{2} a_{1} t_{1}^{2}) + (\frac{1}{2} c a_{1} t_{2}^{2}) + ν_{0} t + s_{0},$
worin so die Entfernung von der Spitze des Zuges 1 bis zum ersten angetriebenen Drehgestell 11a ist.
Für das in den 3a-3f behandelte Signal ergibt sich die zurückgelegte Strecke s des Zuges 1 bis auf eine Genauigkeit von 10 cm.
Die letzte Bremsphase mit Beschleunigung da₅=da₆ kann beispielsweise durch Analyse der Amplitude U des Signals 53 bestimmt werden. Auch der Übergang von der gleichförmigen Bewegung in die erste Bremsphase mit noch geringer Verzögerung kann aus der Amplitude U des Signals 53 geschlossen werden.
Messungen und deren Auswertungen haben ergeben, dass es keine große Relevanz hat, in welcher Höhe sich das Mikrofon befindet. Der Standort hingegen hat einen großen Einfluss auf die Qualität des Signals und somit auch auf dessen Verarbeitungspotenzial. Je näher am Beginn des Bahnsteigs 4 die Position gewählt ist, desto stärker ist die Amplitude U des Signals 15, da die Bahn 1 noch mit einer hohen Geschwindigkeit heranfährt. Mit diesen stark ausgeprägten Amplituden U lässt sich die Verarbeitung des Signals am einfachsten durchführen, und das Ergebnis ist genauer.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Hilfsmittels 3. Das vom Mikrofon aufgenommene Schallsignal 15 wird von der Auswerteeinheit 32 verarbeitet oder auch alternativ oder in Kombination von einer Kommunikationsschnittstelle 32a in der Auswerteeinheit 32 zu einem externen Server 34 gesendet, um einen Teil der Berechnungen dorthin auszulagern (hier: die Berechnung der Positionen der Bezugspunkte 14a-14d). Über einen Vibrationsmotor 3 wird eine fühlbare Navigationsanweisung 56, die zum nächsten Einstieg 16a-16i des Fahrzeugs 1 weist, an die Person 2, von der in 4 nur eine Hand dargestellt ist, ausgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Schienenfahrzeug
11, 12, 13: Wagen des Schienenfahrzeugs 1
11a, 11b: angetriebene Drehgestelle am ersten Wagen 11
13a, 13b: angetriebene Drehgestelle am letzten Wagen 13
14a-14d: Bezugspunkte am Schienenfahrzeug 1
15: vom Schienenfahrzeug 1 abgegebenes Schallsignal
15': diskretisierte digitalisierte Form des Schallsignals 15
15a-15d: Schallkomponenten von den Drehgestellen 11a, 11b, 13a, 13d
16a-16i: Einstiegstüren des Schienenfahrzeugs 1
2: Person
21: Position der Person 1
3: Hilfsmittel
31: Mikrofon des Hilfsmittels 3
32: Auswerteeinheit des Hilfsmittels 3
32a: Kommunikationsschnittstelle in Auswerteeinheit 32
33: Ausgabeeinrichtung des Hilfsmittels 3
34: externer Server, wirkt mit Hilfsmittel 3 zusammen
4: Bahnsteig
51: Filter
52: gefiltertes und rücktransformiertes Signal 15'
53: Absolutwerte des Signals 52
54a-54g: Maxima der Absolutwerte 53
55: Baseline zum Ausschluss von Maxima des Störgeräuschs
56: Navigationsanweisung für Person 2
101: Diskretisierung des Tonsignals 15 zum Signal 15'
102: Fouriertransformation des Signals 15' in den Frequenzraum
103: Filterung des fouriertransformierten Signals F(15')
104: Rücktransformation des gefilterten Signals zur Zeitdarstellung 52
105: Bildung der Absolutwerte 53 aus der Zeitdarstellung 52
106: Auffinden der Maxima 54a-54g
107: Festlegung der Baseline 55
108: Zuordnung Maxima 54a-54g zu Drehgestellen 11a, 11b, 13a, 13g
109: Bestimmung der Position 21 der Person 2 zur Bahn 1
F(15'): Fouriertransformierte des Signals 15'
U: Signalamplitude
a, a_0-6, a_w: Beschleunigungen des Fahrzeugs 1
c: Verstärkungskoeffizient für letzte Bremsphase
v, vo: Geschwindigkeiten des Fahrzeugs 1
t: Zeit
w: Aufteilung des letzten Intervalls zwischen zwei Messpunkten
x, y: Koordinatenrichtungen auf dem Bahnsteig 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7706212 B1 [0003]
US 8922759 B2 [0003]
EP 2641579 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bezugspunkts (14a-14d) an einem zum Halten gekommenen Fahrzeug (1) relativ zu einem Ausgangspunkt (21), an dem das Fahrzeug (1) während des Anhaltevorgangs zumindest teilweise vorbeigefahren ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Zeitverlauf eines an dem Ausgangspunkt (21) während des Anhaltevorgangs des Fahrzeugs (1) aufgezeichneten, von mindestens einer an dem Fahrzeug (1) angeordneten Schallquelle (11a, 11b, 13a, 13b) ausgehenden Signals (15, 15') die Position der Schallquelle (11a, 11b, 13a, 13b) als Position des Bezugspunkts (14a-14d) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs (1) aus der Doppler-Verschiebung des Signals (15, 15') ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Moment, in dem mindestens eine Komponente des Signals (15, 15') die Frequenz wechselt, als der Moment gewertet wird, in dem die Schallquelle (11a, 11b, 13a, 13b) den Ausgangspunkt (21) passiert hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Mehrzahl von an dem Fahrzeug (1) angeordneten Schallquellen (11a, 11b, 13a, 13b) ausgehende Signal (15, 15', 15a-15d) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Intensitätsmaximum (54a-54g) in dem Signal (15, 15') als Moment gewertet wird, in dem eine der Schallquellen (11a, 11b, 13a, 13b) den Ausgangspunkt (21) passiert hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeitdauer Δt zwischen den Momenten, in denen zwei Schallquellen (11a, 11b, 13a, 13b) jeweils den Ausgangspunkt (21) passiert haben, eine durchschnittliche Geschwindigkeit v und Beschleunigung a des Fahrzeugs (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein angetriebenes Drehgestell (11a, 11b, 13a, 13b) und/oder eine Bremse des Fahrzeugs (1) als Schallquelle gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zunahme der Intensität U des Signals (15, 15') dahingehend gewertet wird, dass sich die Verzögerung a des Fahrzeugs (1) ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (15, 15') analog oder digital gefiltert wird.
Hilfsmittel (3) für Blinde und Sehbehinderte zur Navigation in Richtung des Einstiegs (16a-16i) in ein Fahrzeug (1), umfassend mindestens ein Mikrofon (31) zur Aufnahme eines von dem Fahrzeug (1) während des Anhaltevorgangs ausgehenden Schallsignals (15), eine Auswerteeinheit (32), welche dazu ausgebildet ist, mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 die Position eines Bezugspunkts (14a-14d) an dem Fahrzeug (1) zu ermitteln, sowie eine Ausgabeeinheit (33) zur Ausgabe eines hörbaren und/oder fühlbaren Signals (56), das in Richtung des Einstiegs (16a-16i) weist.
Hilfsmittel (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (32) eine Kommunikationsschnittstelle (32a) zur Übermittlung des Schallsignals (15, 15') an einen externen Server (34) aufweist, auf den die Ermittlung der Position des Bezugspunkts (14a-14d) zumindest teilweise ausgelagert ist.
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, einem Smartphone, einer Smartwatch oder einem anderen tragbaren elektronischen Gerät ausgeführt werden, den Computer, das Smartphone, die Smartwatch bzw. das Gerät • dazu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, und/oder • zu einem Hilfsmittel (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 11 aufwerten, und/oder • dazu veranlassen, bei der Ermittlung der Position des Bezugspunkts (14a-14d) mit einem Hilfsmittel (3) nach Anspruch 11 zusammenzuwirken.