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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Computer-Programm-Produkt zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8, ein Signalzeichenerkennungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14 und ein Spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 26.
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Spurgebundene Fahrzeuge sind Bestandteil einer modernen Verkehrsinfrastruktur als Verkehrs- und Transportmittel, die sich beispielsweise rollend auf oder unter von einer oder zwei Leitschienen (Gleisen), schwebend über oder unter einem Magnetfeld oder hängend an Stahlseilen fortbewegen. Von den genannten spurgebundenen Verkehrs- und Transportmittel sind Schienenfahrzeuge, die auf einem Rad-Schiene-System basieren, die entweder einen eigenen Fahrantrieb (Triebwagen) oder von eine Lokomotive gezogen oder geschoben werden und bei denen überwiegend Stahlräder mit einem Spurkranz auf zwei Stahlschienen bzw. Gleisen geführt werden, am weitesten verbreitet.
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Solche Schienenfahrzeuge im Regionalverkehr oder Fernverkehr sind im Gegensatz zu fahrerlosen U-Bahnen und Bahnen zur Verbindung von Flughafen-Terminals darauf angewiesen, dass ein Triebfahrzeugführer Vorsignale und Hauptsignale, wie z.B. Strecken-frei-Zeichen oder Strecken-belegt-Zeichen, auswertet und entsprechende Fahraktionen daraus ableitet.
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Dadurch kann es allgemein bei fahrergeführten Schienenfahrzeugen zu folgenden Szenarien kommen:
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Szenario 1:
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- Triebfahrzeugführer sind, wie alle anderen menschlichen Aufgabenträger, gelegentlich unachtsam oder machen Wahrnehmungsfehler und leiten deswegen gegebenenfalls lebensgefährliche Fahraktionen ein (Beschleunigen des Fahrzeugs) oder unterlassen diese (Unterlassen eines Bremsvorgangs im Fahrzeug) .
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Szenario 2:
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Triebfahrzeugführer sind gegebenenfalls nicht immer verfügbar (z.B. wegen Krankheit, Streik, ungeplantes Mehraufkommen von Fahraufträgen, etc.), so dass Fahrten gegebenenfalls ausfallen müssen.
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Das Auftreten dieser geschilderten Szenarien könnte durch eine automatische Signalerkennung behoben werden, die aber bisher an folgenden Problemen scheiterte:
- A. Der Zustand von Signalen konnte nicht zuverlässig erkannt werden, ohne eine Kommunikationseinrichtung zwischen Strecke bzw. Stellwerk und dem Schienenfahrzeug herzustellen.
- B. Abnorme Signale wie z.B. beschädigte Signale oder provisorische Signale für Baustellen konnten nicht erkannt werden.
- C. Relevante Signale konnten nicht zuverlässig von irrelevanten Signalen (z.B. einer Nebenstrecke oder der Gegenrichtung) unterschieden werden.
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Die aufgeführten Probleme bei der Umsetzung einer automatisierten Signalerkennung und einer entsprechenden Fahrbeeinflussung des Schienenfahrzeuges wurden bisher versucht, durch aufwändige Zusatzinvestitionen in die Streckeninfrastruktur, wie Induktionsschleifen, Rechner entlang der Strecke und Kommunikationsanlagen zwischen Zug und Streckenkomponenten in den Griff zu kriegen. Entsprechende Lösungen sind daher nur auf Strecken überschaubarer Länge wirtschaftlich, wie zum Beispiel U-Bahnen oder Bahnen zwischen Flughafenterminals.
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Aus der
WO 2017/174155 A1 ist Verfahren, Vorrichtung und Bahnfahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, zur Signalerkennung im Bahnverkehr, insbesondere Schienenverkehr bekannt, bei dem/der es, um Signale im Bahnverkehr, wenn Bahnfahrzeuge auf Bahnstrecken im Bahnnetz unterwegs sind, automatisch zu erkennen, vorgeschlagen wird
- - auf Basis (i) von als Referenzdaten gespeicherten, entlang einer Bahnstrecke in einem Bahnnetz in Bezug auf geografische Umgebung und Bahnverkehr-Signalsteuerung erfassten ortsbezogenen Referenz-Informationen in Form von Referenz-Ortsinformationen und Referenz-Signalzustandsinformationen, im Erfassungskontext gewonnenen Kontext- und Hinweisinformationen und gegebenenfalls zusätzlicher diesbezüglicher Metainformationen sowie (ii) des Abgleichs von im Signalerkennungsbetrieb anhand von Positionsdaten erfassten Betrieb-Ortsinformationen und Betrieb-Signalzustandsinformationen mit den gespeicherten Referenzdaten - ein Signal und/oder ein Signalzustand zur Steuerung des Bahnverkehrs auf der Bahnstrecke zu erkennen, wobei dies durch Auswertung von Relevanz und Inhalt der Informationen dann der Fall ist, wenn bei dem Abgleich die erfasste Betrieb-Signalzustandsinformation für die Signalerkennung gefunden ist, die in Bezug auf die Betrieb-Ortsinformation und der dazu korrespondierenden Referenz-Ortsinformation zu einer in den Referenzdaten enthaltenen Referenz-Signalzustandsinformation unter Berücksichtigung der in den Referenzdaten enthaltenen Kontext- und Hinweisinformationen sowie der gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Metainformationen korrespondiert.
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Für autonom fahrende Schienenfahrzeuge müssen Signalstellungen (z.B. Halt, Fahrt, Langsam-Fahrt) und Streckenzeichen automatisiert erkannt werden. Dafür werden insbesondere und auch gemäß der aus der der
WO 2017/174155 A1 bekannten technischen Lehre Bilder analysiert, die durch Geräte zur Bildakquise, wie z.B. Kameras jeglicher Art und jegliches Akquirierungsprinzips, erzeugt werden.
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Dabei ergeben sich folgende Probleme:
- I. Das Bild muss relativ zu einer Position ausgewertet werden, d.h. es muss, je nachdem wo sich das Schienenfahrzeug befindet, eine Signalstellung oder ein Streckenzeichen in unterschiedlicher Entfernung erkannt werden und zusätzlich muss gegebenenfalls beurteilt werden, ob das jeweilige Signal relevant ist, so z.B. ob es für ein anderes Gleis als das befahrene Gleis gilt
- II. Positionierungsinformationen sind ungenau, was die Auswertung unter Punkt I. erschwert.
- III. Die Hardware-Ressourcen für Bildakquise, Bildübertragung, Bildverarbeitung und Bildspeicherung sind begrenzt.
- IV. Abnorme Signale, z.B. aufgrund von Beschädigungen, müssen erkannt werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und ein Computer-Programm-Produkt zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge sowie ein Signalzeichenerkennungssystem und ein Spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, anzugeben, mit dem auf eine einfache und ressourcenschonende Weise eine sichere Signalzeichenerkennung erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Signalzeichenerkennungsverfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 8 definierten Computer-Programm-Produkt durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Außerdem wird diese Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 14 definierten Signalzeichenerkennungssystem durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 14 angegebenen Merkmale gelöst.
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Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 26 definierten Spurgebundenen Fahrzeug durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 26 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die der Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 8, 14 und 26 zugrunde liegenden Idee besteht darin, dass für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Erkennung eines Signalzeichens, das sich an einer Signalzeichenposition entlang einer Fahrstrecke eines spurgebundenen Fahrzeugs befindet, insbesondere wenn dieses auf der Fahrstrecke automatisiert fahren soll,
- - zumindest auf der Basis eines von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich, an einer Fahrzeugposition akquirierten Streckenbildes, von Fahrzeug-Positionsinformationen, von gespeicherten Referenz-Streckenbildern und Streckenbild-Metadaten inklusive der Signalzeichenposition sowie von gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten ein Streckenbildpfad gebildet wird,
- - aus dem Streckenbildpfad unter Heranziehung von gespeicherten Signalzeichendaten und der Strecken- und Fahrzeugdaten ein Bildkorridor, z.B. durch Berechnung oder Vermessung, gewonnen wird, in dem das zu erkennende Signalzeichen erwartet wird oder sich befinden muss,
- - der Bildkorridor schrittweise durchsucht wird, wobei bei jedem Schritt für das dazu korrespondierende Bild des Korridors bewertet wird, wie stark jeweils ein für die Bildanalyse zu betrachtender Bildausschnitt in Bezug auf das zu erkennende Signalzeichen von einem bildmäßig bekannten, gespeicherten Signalzeichen abweicht,
- - bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen bestimmt wird.
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Darüber hinaus ist es bei dem gegebenen Aufwand für die erfindungsgemäße Signalzeichenerkennung nützlich und auch zweckmäßig für die Weiterentwicklung für den Personen- und Güterverkehr mit spurgebundenen Fahrzeugen, wenn das im Zuge der Bildberechnung/Bildanalyse bestimmte Signalzeichen zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem weitergegeben wird (Ansprüche 2, 9 und 17).
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In diesem Fall ist es jedoch aus Sicherheitsaspekten nicht nur von Vorteil, sondern auch geboten, das im Zuge der Bildberechnung/Bildanalyse bestimmte Signalzeichen bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich zu checken, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem zu übergeben (Ansprüche 7, 13 und 18).
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Ferner ist es für eine effiziente Signalzeichenerkennung zweckmäßig und vorteilhaft, wenn bei der Bildausschnittbewertung eine Gewichtung vorgenommen wird, um den Signalzeichenvergleich zu priorisieren (Ansprüche 3, 10 und 19).
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Außerdem ist es von Vorteil, um eine relative Veränderung in den Bildausschnitten berücksichtigen zu können, dass die Bildausschnitte iterativ bewertet werden, indem die Bildberechnung/Bildanalyse mehrfach, vorzugsweise in 200ms Zeitabständen bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition, durchgeführt wird (Ansprüche 4, 11 und 20).
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Ferner ist es für eine effiziente Signalzeichenerkennung zweckmäßig und vorteilhaft, wenn der Streckenbildpfad und der Bildkorridor durch eine semi-manuelle Analyse von, insbesondere auf Erprobungsfahrten entlang der Fahrstrecke, erfassten und mit Positionsdaten korrelierten Signalzeichen-Bildmaterials gewonnen werden (Ansprüche 5 und 22) und der Bildkorridor darüber hinaus durch Vermessen oder Berechnen gewonnen wird (Ansprüche 6, 12 und 22).
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Durch den erfindungsgemäßen, intelligenten Abgleich von Positions- und Streckenbilddaten - wie vorstehend skizziert, in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben und in den Patentansprüchen angegeben - kann erreicht werden, dass:
- - Signalzeichen entlang von Fahrstrecken spurgebundener Fahrzeuge ohne aufwändige Infrastrukturinvestitionen zuverlässig und automatisch erkannt werden;
- - auch abnorme Signale, z.B. aufgrund von Vandalismus automatisch verarbeitet werden können;
- - die für das betreffende Fahrzeug relevanten Signalzeichen von den irrelevanten Signalzeichen unterschieden werden können;
- - Signalzeichen bei ungünstigen Sichtbedingungen zuverlässiger erkannt werden können als durch Triebfahrzeugführer;
- - Triebfahrzeugführer nicht mehr zum Fahren benötigt werden, so dass unabhängig von deren Verfügbarkeit gefahren werden kann;
- - das Verfahren auch bei ungenauer Positionierung funktioniert;
- - das Verfahren mit begrenzten Hardware-Ressourcen zur Bildakquise/Bildübertragung/Bildverarbeitung/Bildspeicherung auskommt.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der 1 bis 4. Diese zeigen:
- 1 Signalzeichenerkennung eines zur Verkehrssteuerung eines spurgebundenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, im Fahrbetrieb entlang einer Fahrstrecke des spurgebundenen Fahrzeugs an einer Signalzeichenposition befindlichen Signalzeichens;
- 2 einen prinzipiellen Aufbau eines Signalzeichenerkennungssystem für die gemäß der 1 fahrzeug- und fahrbetriebsbasierte Signalzeichenerkennung;
- 3 die Gewinnung von Streckenbildpfad und Bildkorridor für eine Geradeaus-Fahrt des spurgebundenen Fahrzeugs;
- 4 die Gewinnung von Streckenbildpfad und Bildkorridor für eine Linkskurven-Fahrt des spurgebundenen Fahrzeugs.
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1 zeigt die Signalzeichenerkennung eines zur Verkehrssteuerung eines Schienenfahrzeugs SFZ als spurgebundenes Fahrzeugs FZ im Fahrbetrieb entlang einer Fahrstrecke FST des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ an einer Signalzeichenposition SZP befindlichen Signalzeichens, bei der auf eine einfache und ressourcenschonende Weise eine sichere Signalzeichenerkennung erreicht werden kann.
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Das Schienenfahrzeug SFZ, FZ - dargestellt ist in der 1 ein Triebwagen TRW, der sich auf der Fahrstrecke FST, vorzugsweise automatisiert gemäß einer Skala von Fahrerassistenzunterstützung, über Teilautomatisierung, weiter über Bedingte Automatisierung und Hochautomatisierung bis hin zur Vollautomatisierung, bewegt - enthält für die Signalzeichenerkennung ein Signalzeichenerkennungssystem SZES, das sich in einem Triebführerstand TFS mit einer integrierte Anzeigeeinrichtung AZE für einen Fahrzeugführer FZF angeordnet ist.
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Ausgehend von einer mittels satellitengestützter Positionsbestimmungsmethoden, wie z.B. GPS, GALILEO oder GLONASS, anhand von GPS-, GALILEO- und GLONASS-Koordinaten bestimmten, zu der Signalzeichenposition SZP beanstandeten Fahrzeugposition FZP wird mit einer Bildakquise-Einheit BAE zum Erfassen von Bildern des Signalzeichenerkennungssystems SZES aus der Fahrzeugperspektive, die im Wesentlichen der Perspektive des Fahrzeugführers FZF entspricht, von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich
- - d.h. einem Bereich der Fahrstrecke FST, in dem das Signalzeichen SZ an einer Signalzeichenposition SZP sein kann, erwartet wird -
- - ein Primär-Streckenbild P-SB akquiriert.
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Die satellitengestützte Bestimmung der Fahrzeugposition FZP ist jedoch toleranzbehaftet, so dass es zu der Fahrzeugposition FZP eine Positiv-Toleranz-Fahrzeugposition FZPPT und eine Negativ-Toleranz-Fahrzeugposition FZPNT gibt. Will heißen, wenn Positionen satellitengestützt mit einer Ungenauigkeit von z.B. 20 Meter bestimmt werden und die Fahrzeugposition FZP z.B. mit einem Abstand von 40 Meter zur Signalzeichenposition SZP des Signalzeichens SZ bestimmt wird, dann befinden sich bei gleichmäßiger Verteilung des toleranzbehafteten Wertes von 20m vor und nach der Fahrzeugposition die Positiv-Toleranz-Fahrzeugposition FZPPT in einem Abstand von 50 Meter und die Negativ-Toleranz-Fahrzeugposition FZPNT in einem Abstand von 30 Meter zur Signalzeichenposition SZP des Signalzeichens SZ.
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Die Bildakquise-Einheit BAE des Signalzeichenerkennungssystems SZES kann dabei ein beliebiges Gerät zur Akquirierung und/oder Aufzeichnung von Einzel- oder Mehrfachbildern (Videos) sein, wie z.B. eine Bild- oder Videokamera, eine Lasersensor, eine Wärmebildkamera, eine Infrarotkamera oder eine Radar-Einrichtung.
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2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau des Signalzeichenerkennungssystems SZES für die gemäß der 1 fahrzeug- und fahrbetriebsbasierte Signalzeichenerkennung des Signalzeichens SZ. Das Signalzeichenerkennungssystem SZES enthält dazu neben der bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der 1 erwähnten Bildakquise-Einheit BAE zum Erfassen von Bildern eine Positionsakquise-Einheit PAE zur Akquirierung von Fahrzeugpositionen und eine Steuereinheit STE.
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Die Positionsakquise-Einheit PAE ist die Einheit des Signalzeichenerkennungssystems SZES, die satellitengestützt anhand der GPS-, GALILEO- und GLONASS-Koordinaten die Fahrzeugposition FZP bestimmt.
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Die Steuereinheit STE wiederum enthält ein Computer-Programm-Produkt CPP zur Signalzeichenerkennung, das einen nicht-flüchtigen, lesbaren Speicher SP, in dem prozessorlesbare Steuerprogrammbefehle eines die Signalzeichenerkennung durchführenden Programm-Moduls PGM gespeichert sind, und einen mit dem Speicher SP verbundenen Prozessor PZ, der die Steuerprogrammbefehle des Programm-Moduls PGM zur Signalzeichenerkennung ausführt, aufweist.
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Zum verbesserten und optimierten Erfassen von Bildern enthält die Bildakquise-Einheit BAE eine Korrekturkomponente KOK, die in die Auswertung des erfassten Bildmaterials Wetter- und Helligkeitsdaten mit einbezieht, eine Brennweiteveränderungskomponente BVK, die in Abhängigkeit vom Abstand zu dem Signalzeichen SZ den richtigen Aufnahmewinkel wählt, um so die mehrfache Auswertung des Signalzeichens SZ optimal zu unterstützen, und eine Beleuchtungskomponente BLK, die vorzugsweise als Scheinwerfer ausgebildet ist und die inner- oder außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs arbeitet.
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Die Bildakquise-Einheit BAE ist zudem in vorteilhafter Weise schwenkbar ausgebildet, um den Winkel der Bildakquise-Einheit BAE zur Markierung MK, SZ ausgleichen zu können. Im Hinblick auf die Sicherheitsrelevanz der Bildakquise-Einheit BAE sollte diese redundant vorhanden sein, um bei Beschädigung, Ausfall oder Verschmutzung den Betrieb zumindest eingeschränkt zu ermöglichen. Zudem wäre es denkbar zwei oder mehrere dieser Bildakquise-Einheiten BAE parallel arbeiten zu lassen, um die Konfidenz der gewonnen Daten zu erhöhen.
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Die Positionsakquise-Einheit PAE, die Bildakquise-Einheit BAE und die das Computer-Programm-Produkt CPP zur Signalzeichenerkennung enthaltende Steuereinheit STE bilden eine gemeinsame Funktionseinheit für eine Bildberechnung/Bildanalysebasierte Erkennung des Signalzeichens SZ mittels Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse. Diese Funktionseinheit ist derart ausgebildet, dass in der Bildakquise-Einheit BAE gemäß der Darstellung in der 1 und wie bei deren Beschreibung schon erwähnt an der zu der Signalzeichenposition SZP des Signalzeichens SZ beabstandeten Fahrzeugposition FZP, aus der Fahrzeugperspektive das Primär-Streckenbild P-SB von dem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich akquiriert wird.
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Weiterhin ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP
- - entweder auf der Basis des von der Bildakquise-Einheit BAE erhaltenen Primär-Streckenbildes P-SB, der von der Positionsakquise-Einheit PAE erhaltenen Fahrzeugposition FZP, von in einer ersten Datenbank DB1 gespeicherten und von dieser erhaltenen Referenz-Streckenbildern RSB und Streckenbild-Metadaten SBMD inklusive der Signalzeichenposition SZP sowie von in einer zweiten Datenbank DB2 gespeicherten und von dieser erhaltenen Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD oder auf der Basis des von der Bildakquise-Einheit BAE erhaltenen Primär-Streckenbildes P-SB, der von der Positionsakquise-Einheit PAE erhaltenen Fahrzeugposition FZP, von in einer ersten Datenbank DB1 gespeicherten und von dieser erhaltenen Referenz-Streckenbildern RSB, Streckenbild-Metadaten SBMD inklusive der Signalzeichenposition SZP, Bildpfaddaten BPFD und Bildkorridordaten BKOD sowie von in einer zweiten Datenbank DB2 gespeicherten und von dieser erhaltenen Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD
- - zu der Positiv-Toleranz-Fahrzeugposition FZPPT in der 1 ein erstes Sekundär-Streckenbild S-SB1 und zu der Negativ-Toleranz-Fahrzeugposition FZPNT in der 1 ein zweites Sekundär-Streckenbild S-SB2 gebildet werden, wobei das Primär-Streckenbild P-SB und die beiden Sekundär-Streckenbilder S-SB1, S-SB2 einen Streckenbildpfad SBPF bilden. Die Bildung des ersten Sekundär-Streckenbild S-SB1 und zweiten Sekundär-Streckenbild S-SB2 erfolgt vorzugsweise mittels Bildberechnung.
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Die Streckenbild-Metadaten SBMD weisen dabei vorzugsweise für den Vergleich zwischen den Referenz-Streckenbildern und dem Primär-Streckenbild S-PB bzw. dem daraus jeweils berechneten Sekundär-Streckenbild S-SB1, S-SB2 der bei der zur Signalzeichenerkennung durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse durch einen Experten markiertes und bewertetes Bildmaterial inklusive Bildpfad und Bildkorridor mit gegebenenfalls weiteren Metadaten und Kalibrierungsbildern auf, um das Signalzeichen SZ erkennen zu können. Dabei wird die Markierung der Experten verwendet, um den relevanten Bildausschnitt möglichst genau festzulegen und auch zwischen relevanten und irrelevanten Signalzeichen (z.B. einer Nebenstrecke) unterscheiden zu können.
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Gegebenenfalls können Expertenmarkierungen auch durch Standardangaben ersetzt werden, z.B. Standardangaben zu einem sogenannten Vorsignalzeichen.
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Bei der in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse werden eventuell auftretende Verzerrungen des Primär-Streckenbildes P-SB, falls die gespeicherte Referenz-Streckenbilder RSB nicht exakt an der gleichen Stelle aufgenommen wurden wie das im Fahrbetrieb aufgenommenen Streckenbild SB durch Positionsausgleich berücksichtigt.
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Für die in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ durchgeführte Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse greift die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ auf die erste Datenbank DB1 und/oder die zweite Datenbank DB2 zu. Die erste Datenbank DB1 und/oder die zweite Datenbank DB2 sind entweder Bestandteil des Positionsbestimmungssystems PBS (Option „A“ für DB1 bzw. Option „C“ für DB2) oder dem Positionsbestimmungssystem PBS für diese Zugriffe zugeordnet (Option „B“ für DB1 bzw. Option „D“ für DB2).
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Die erste Datenbank DB1 enthält die Referenz-Streckenbilder RSB inklusive eventueller Kalibrierungsbilder, die Streckenbild-Metadaten SBMD, wie z.B. bezüglich der Streckenbilder die genaue Position deren Aufnahme inklusive Informationen über die Fahrstrecke bzw. das Gleis, gegebenenfalls den Winkel der Aufnahme und die Signalzeichendaten SZD inklusive Metadaten wie z.B. den Typ des Signalzeichens. Diese Daten können vorzugsweise wie folgt erfasst werden:
- Zunächst statisch in Erprobungsfahrten oder durch gezielte Aufnahmen durch Aufnahmepersonal. Und danach in einer Erweiterung dynamisch, bei der das Bildmaterial in der ersten Datenbank DB1 regelmäßig durch die während der Fahrten neu aufgenommenen Streckenbilder SB ergänzt wird.
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Die zweite Datenbank DB2 enthält die Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD, die z.B. die genauen Daten über die Fahrstrecke FST, z.B. die genaue Position des Gleises, die Position der des Signalzeichens SZ, SZ' die Montageposition der Positionsakquise-Einheit PAE bzw. des GPS/GALILEO-/GLONASS-Empfängers, die Montagepositionen und Auflösungen der Bildakquise-Einheit BAE etc. in dem Fahrzeug FZ, SFZ umfassen.
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Außerdem ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP
aus dem Streckenbildpfad SBPF unter Heranziehung von in der ersten Datenbank DB1 gespeicherten und von dieser erhaltenen Signalzeichendaten SZD und von den in der zweiten Datenbank DB2 gespeicherten und von dieser erhaltenen Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD ein Bildkorridor BKO gewonnen wird, in dem das zu erkennende Signalzeichen SZ zu erwarten ist oder sich befindet. Der Bildkorridor BKO wird dazu vorzugsweise durch Vermessen oder Berechnen gewonnen.
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3 zeigt für eine Geradeaus-Fahrt des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ die, vorzugsweise durch Bildberechnung, Bildung des Streckenbildpfads SBPF mit dem akquirierten Primär-Streckenbild P-SB zu der Fahrzeugposition FZP, z.B. im Abstand von 40m zur Signalzeichenposition SZP, mit dem, vorzugsweise durch Bildberechnung, gebildeten ersten Sekundär-Streckenbild S-SB1 zu der Positiv-Toleranz-Fahrzeugposition FZPPT , z.B. im Abstand von 50m zur Signalzeichenposition SZP und mit dem, vorzugsweise auch durch Bildberechnung, gebildeten zweiten Sekundär-Streckenbild S-SB2 zu der Negativ-Toleranz-Fahrzeugposition FZPNT , z.B. im Abstand von 30m zur Signalzeichenposition SZP sowie die, vorzugsweise durch Vermessung oder Bildberechnung, Gewinnung des Bildkorridors BKO aus dem Streckenbildpfads SBPF. Die gestrichelte Diagonale in dem jeweiligen Streckenbild ist lediglich eine Hilfslinie ohne jegliche erfindungsrelevante Bedeutung.
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4 zeigt für eine Linkskurven-Fahrt des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ die, vorzugsweise durch Bildberechnung, Bildung des Streckenbildpfads SBPF mit dem akquirierten Primär-Streckenbild P-SB zu der Fahrzeugposition FZP, z.B. im Abstand von 40m zur Signalzeichenposition SZP, mit dem, vorzugsweise durch Bildberechnung, gebildeten ersten Sekundär-Streckenbild S-SB1 zu der Positiv-Toleranz-Fahrzeugposition FZPPT , z.B. im Abstand von 50m zur Signalzeichenposition SZP und mit dem, vorzugsweise auch durch Bildberechnung, gebildeten zweiten Sekundär-Streckenbild S-SB2 zu der Negativ-Toleranz-Fahrzeugposition FZPNT , z.B. im Abstand von 30m zur Signalzeichenposition SZP sowie die, vorzugsweise durch Vermessung oder Bildberechnung, Gewinnung des Bildkorridors BKO aus dem Streckenbildpfads SBPF. Die gestrichelte Diagonale in dem jeweiligen Streckenbild ist auch hier wieder lediglich eine Hilfslinie ohne jegliche erfindungsrelevante Bedeutung.
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Die Bildung/Gewinnung des Streckenbildpfads SBPF und des Bildkorridors BKO kann bevorzugt durch eine semi-manuelle Analyse von, insbesondere auf Erprobungsfahrten entlang der Fahrstrecke FST, erfassten und mit Positionsdaten korrelierten Signalzeichen-Bildmaterials durchgeführt werden.
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Falls Pfad-Korridore durch semi-manuelle Analyse vorhandenen Bildmaterials gewonnen werden sollen, so werden auf Erprobungsfahrten oder durch andere geeignete Verfahren Bilder von Signalzeichen entlang der Strecke, auf den spurgebundene Fahrzeuge z.B. automatisiert fahren sollen, erfasst und mit Positionsdaten korreliert.
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Danach kann man durch semi-manuelle Verfahren die Positionen der Signalzeichen erfassen markieren und damit die Bildpfade bestimmen.
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Alternativ können die Daten für den Bildkorridor - wie bereits erwähnt - auch durch Vermessung oder Berechnung gewonnen werden.
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Schließlich sollte man berücksichtigen, dass man die Bildpfade und Bildkorridore für mehrere Bildakquise-Einheit bzw. Kameras im gleichen Fahrzeug natürlich umrechnen könnte und dass natürlich diese Bildpfade für unterschiedliche Bildakquise-Einheit bzw. Kameras in anderen unterschiedlichen Fahrzeugen (z.B. einer anderen Flotte) umgerechnet werden könnten.
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Darüber hinaus ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP
bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen SZ durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen SZ, SZ' bestimmt wird.
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Das in den 1 bis 4 skizzierte Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt sich mit anderen wie folgt beschreiben:
- a. Zunächst wird durch eine satellitengestützte Positionsbestimmung (z.B. häufig durch GPS-Koordinaten) die ungefähre Position des spurgebundenen Fahrzeugs bestimmt, d.h. bis auf mehrere 10m genau.
- b. Auf Basis dieser Position wird ein Bildpfad und ein Bildkorridor bestimmt, auf dem sich ein zu erkennendes Signalzeichen befinden muss. Dazu wird eine aktuell satellitengestützt gemessene oder bestimmte Fahrzeugposition als Ausgangspunkt genommen (z.B. 40m vor dem Signalzeichen) und dann abhängig von einer angenommenen Ungenauigkeit (z.B. 20m) diese Ungenauigkeit vor und nach der Fahrzeugposition verteilt.
Damit ergibt sich dann ein Bildpfad, der einer Entfernung von 40+10m bis 40-10m, d.h. von 50m bis 30m, vor dem Signalzeichen entspricht.
- c. Anschließend wird auf Basis der (als bekannt) angenommenen Größe des Signalzeichens aus dem Bildpfad der Bildkorridor berechnet. Dabei kann insbesondere auch Vibration und ungenaue Montage der Kamera berücksichtigt werden, indem der Bildkorridor größer gewählt wird als das Signalzeichen tatsächlich ist. In der Regel wird „1,2-2“-mal größeres Signalzeichen gewählt.
- d. Dann wird dieser Bildkorridor schrittweise durchsucht, d.h. erste Signalposition mit einer gemessenen Entfernung von 50m vor der Signalanlage, dann nächste mögliche Signalposition mit einer Verschiebung von z.B. 5 Pixel (den Pixelwert kann man natürlich parametrieren) in Richtung 30m vor dem Signalzeichen usw.
- e. Dann wird für diese einzelnen Bilder des Korridors bewertet wie weit der jeweils aktuelle Bildausschnitt von bekannten Signalstellungen (z.B. Halt, Fahrt, Langsam-Fahrt-Signalzeichen) abweicht.
Dazu können unterschiedliche Algorithmen benutzt werden, z.B. Vorkommen von Grünlichthäufungen für ein grünes Signal, relative Positionierung von Lichthäufungen bei Signalstellung mit mehr als einem Licht, 1:1-Bildvergleich etc.
- f. Dann wird bewertet, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten und für diese dann bestimmt, mit welchem bekannten Signalzeichen sie übereinstimmen.
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Ferner ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP
bei der Bildausschnittbewertung eine Gewichtung vorgenommen wird, um den Signalzeichenvergleich zu priorisieren.
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So ist es sinnvoll, dass der zur aktuell gemessenen Position korrespondierende Bildausschnitt ein höheres Gewicht bekommt, als die Bildausschnitte am Rand des Bildkorridors.
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Eine derartige Priorisierung kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die Bildausschnitte in dem Bildkorridor iterativ bewertet werden, indem die Bildberechnung/Bildanalyse mehrfach, vorzugsweise in 200ms Zeitabständen bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition FZP für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition SZP, durchgeführt wird.
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Dadurch kann insbesondere die relative Veränderung berücksichtigt werden.
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Dies betrifft zum einen inhaltlich mögliche Signalzeichenänderungen. z.B. kein direkter Übergang von „Rot“ nach „Grün“ und andererseits aber auch eine sinnvollerweise, mögliche Änderung des Bildausschnitts zur Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Steht z.B. das spurgebundene Fahrzeug, so darf sich ein Signalzeichen in aufeinanderfolgenden Berechnung-/Analyseschritten nicht bewegen; d.h. das Signalzeichen müsste sich an der gleichen Stelle, z.B. in einem Abstand von 34m vor der Signalzeichenposition SZP befinden.
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Bewegt sich aber das Fahrzeug FZ, SFZ mit v=10m/s und man macht die Bildberechnung/Bildanalyse alle 200ms und man erkennt das Signalzeichen in der ersten Runde bei einem Abstand 34m vor der Signalzeichenposition SZP dann muss das Signalzeichen in der nächsten Runde 10m/s*0,2s=2m also bei einem Abstand von 32m vor der Signalzeichenposition SZP gefunden werden.
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Ist das nicht der Fall, so könnte es sich um das Rücklicht eines vorausfahrenden Fahrzeugs handeln. Auf diese Art und Weise passiert eine Gewichtung bei der Signalzeichenerkennung. Die auf diese Art und Weise vorgenommene Signalzeichenerkennung liefert die Gewichtung. Dazu ist natürlich die Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit notwendig, die entweder als gegeben angenommen wird oder aber typischer und geläufiger Weise mittels der Positionsakquise-Einheit PAE zur Akquirierung von Fahrzeugpositionen gewonnen werden kann.
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Abschließend ist die Funktionseinheit in vorteilhafter Weise noch derart ausgebildet, dass die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ des das Computer-Programm-Produkts CPP
die im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichens SZ zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem AFS weitergegeben wird.
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Dabei ist die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ noch zusätzlich derart ausgebildet, dass die im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Fahrzeugposition FZP bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich gecheckt wird, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens SZ an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem AFS zu übergeben.
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Solche Sicherheitschecks sind zweckmäßig, angebracht und sinnvoll, weil es durchaus sein könnte, dass ein Rücklicht eines vorausfahrenden Fahrzeugs mit einem zu erkennenden roten Signalzeichen verwechselt werden kann. In diesem Fall kann zu Sicherheitszwecken „Halt“ als Ergebnis ausgegeben werden, um auf der sicheren Seite zu bleiben.
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Das Autonome/Automatisierte Fahrsystem AFS ist dabei, wenn, wie in der 1 dargestellt, sich der Triebwagen TRW des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ auf der Fahrstrecke FST automatisiert bewegt, wie das Signalzeichenerkennungssystem SZES in dem Triebführerstand TFS des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/174155 A1 [0008, 0009]
