DE102021207635A1

DE102021207635A1 - Verfahren und Anordnung zur Zeitsynchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021207635A1
Application number: DE102021207635.1A
Authority: DE
Inventors: Georg Lohneis
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2023285218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Zeitsynchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs. Dabei wird im Schienenfahrzeug eine Referenz-Uhrzeit an ausgewählte Geräte des Schienenfahrzeugs übertragen. Die Geräte synchronisieren sich zeitlich auf die Referenz-Uhrzeit. Eine im Schienenfahrzeug angeordnete, interne Uhrzeit-Quelle wird verwendet, um eine interne Uhrzeit zu bilden. Eine außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnete, externe Uhrzeit-Quelle wird verwendet, um eine externe Uhrzeit zu bilden und diese als Signal an das Schienenfahrzeug zu übertragen. Bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs wird zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs noch nicht empfangen wurde, die interne Uhrzeit als Referenz-Uhrzeit verwendet. Zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgendem zweiten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs empfangen wurde, wird im Schienenfahrzeug ein Uhrzeit-Abgleich zwischen der internen Uhrzeit und der externen Uhrzeit durchgeführt, um eine aktualisierte Referenz-Uhrzeit für die zeitliche Synchronisation der Geräte zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Zeitsynchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs.
In einem Schienenfahrzeug benötigen Geräte sowohl für ihren Betrieb als auch zu Diagnosezwecken eine Uhrzeitangabe und eine Positionsangabe.
Insbesondere bei der Diagnose der Geräte ist es wichtig, dass die Geräte im Schienenfahrzeug miteinander zeitlich synchronisiert sind. So wird sichergestellt, dass eine zeitliche Reihenfolge von auftretenden Meldungen unterschiedlicher Geräte fehlerfrei sichergestellt bzw. durchgeführt wird. Die korrekte zeitliche Reihenfolge der Meldungen ist insbesondere bei einer erforderlichen Fehlersuche und Fehleranalyse von größter Bedeutung.
Wird ein Schienenfahrzeug in Betrieb genommen, werden die betroffenen Geräte des Schienenfahrzeugs neu gestartet, gespeicherte Programme werden geladen und die Geräte werden beim sogenannten Hochlaufen zeitlich miteinander synchronisiert.
Beim Hochfahren der Geräte erfolgt also eine schrittweise Anpassung bzw. Synchronisation der Geräte an eine einheitliche Uhrzeit bzw. Systemzeit: einzelne Geräte benötigen mehr Zeit zum Hochlaufen, andere Geräte benötigen weniger Zeit dafür, einige der Geräte weisen anfangs eine individuelle Uhrzeit auf, die an die Systemzeit angepasst werden muss, etc.
Bis zum erfolgreichen Abschluss der Synchronisation, die einige Minuten dauern kann, weisen also die Geräte individuelle Uhrzeiten auf, im Ablauf der Synchronisation treten bei einzelnen Geräten Zeitsprüngen in Bezug zur Systemzeit auf, so dass eine Gerätediagnose erst nach dem Abschluss der Synchronisation und damit zeitlich ggf. stark verzögert durchführbar ist.
Bei vorbekannten Architekturen wird ein mit einem externen Zeitsignal gespeister Uhrzeit-Empfänger, bevorzugt ein GPS-Empfänger, im Schienenfahrzeug zur Synchronisation verwendet. Aus einem empfangenen GPS-Signal wird eine im GPS-Signal enthaltene Uhrzeit extrahiert und an ein zentrales Steuergerät übertragen, das unter Verwendung der GPS-basierten Uhrzeit einen Uhrzeitabgleich bzw. die Synchronisation der Geräte bezüglich der Uhrzeit durchführt.
Jedoch benötigt auch der GPS-Empfänger einige Zeit nach erfolgter Aktivierung bzw. nach erfolgtem Hochlauf, um ein korrektes Zeitsignal zu liefern: erst wenn der GPS-Empfänger unterbrechungsfreie Signale von drei GPS-Satelliten empfangen konnte, ist eine Auswertung der Uhrzeit in gebotener Genauigkeit möglich.
Bei verschiedenen Baureihen von Schienenfahrzeugen ist der GPS-Empfänger als getrenntes Gerät im Schienenfahrzeug integriert und wird dort hauptsächlich im Rahmen einer Datenfernübertragung verwendet. Wird der GPS-Empfänger beim Hochlauf der Geräte zu spät oder fehlerbedingt nicht aktiviert, folgt daraus eine weitere Verzögerung bei der Synchronisation der Geräte auf die Systemzeit bzw. wird die Synchronisation gänzlich unmöglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine zugehörige Anordnung anzugeben, mit denen eine schnelle und sichere zeitliche Synchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zur Zeitsynchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs im Schienenfahrzeug eine Referenz-Uhrzeit an ausgewählte Geräte des Schienenfahrzeugs übertragen, die die Geräte zur zeitlichen Synchronisation verwenden.
Eine im Schienenfahrzeug angeordnete, interne Uhrzeit-Quelle wird verwendet, um eine interne Uhrzeit zu bilden. Eine außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnete, externe Uhrzeit-Quelle wird verwendet, um eine externe Uhrzeit zu bilden und diese als Signal an das Schienenfahrzeug zu übertragen.
Bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs wird zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs noch nicht empfangen wurde, die interne Uhrzeit als Referenz-Uhrzeit verwendet wird.
Zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgendem zweiten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs empfangen wurde, wird im Schienenfahrzeug ein Uhrzeit-Abgleich zwischen der internen Uhrzeit und der externen Uhrzeit durchgeführt, um eine aktualisierte Referenz-Uhrzeit für die zeitliche Synchronisation der Geräte zu bilden.
Die aktualisierte Referenz-Uhrzeit wird für eine erneute bzw. nachfolgende Synchronisation der Geräte verwendet.
Zum Uhrzeit-Abgleich werden dafür geeignete Funktionen bzw. Algorithmen verwendet, die aus dem Stand der Technik vorbekannt sind und die zur Synchronisation von physikalischen Uhren in verteilten Systemen verwendet werden.
Beispielhaft wird dazu der „Berkeley-Algorithmus“, der „Algorithmus von Cristian“ (benannt nach Flaviu Cristian) oder der „Konvergenz-Algorithmus CNV“ genannt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als interne Uhrzeit-Quelle eine als „real time clock“ bezeichnete Echtzeituhr im Schienenfahrzeug verwendet. Die Echtzeituhr misst eine physikalische Zeit und stellt in Bezug auf das Schienenfahrzeug eine lokale Uhrzeit bereit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als externe Uhrzeit-Quelle ein Zeitsignal verwendet, das an das Schienenfahrzeug übertragen bzw. von diesem empfangen und analysiert wird. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein GPS-Signal oder um ein Signal eines Zeitservers, etc.
In einer bevorzugten Weiterbildung verfügt das Schienenfahrzeug über eine GPS-Antenne und über einen damit gekoppelten GPS-Empfänger, um das GPS-Signal zu empfangen. Basierend auf dem GPS-Signal wird für das Schienenfahrzeug eine Uhrzeitangabe aus dem Signal extrahiert bzw. gebildet und dem Uhrzeit-Abgleich zugeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird basierend auf dem GPS-Signal eine Positionsangabe des Schienenfahrzeugs gebildet und, bevorzugt über einen Positionsserver des Schienenfahrzeugs, vorbestimmten Geräten des Schienenfahrzeugs zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird als externe Uhrzeit-Quelle ein vom Schienenfahrzeug räumlich getrennter Zeitserver, beispielsweise ein NTP-Server, eines Kommunikationssystems oder IT-Systems verwendet.
Der Zeitserver bzw. der NTP-Server ist aus der Zeitsynchronisation von IT-Systemen bekannt. Er wird dazu verwendet, um Zeitstempel für einen zeitlichen Abgleich an Systemkomponenten bzw. Geräte zu übertragen.
Die Kommunikation des NTP-Servers basiert auf dem „Network Time Protocol, NTP“, das als elementares Protokoll der Maschinen- bzw. Netzwerkkommunikation bei einer erfolgenden Daten- bzw. Signalübertragung verwendet wird, um Zeitstempel für synchronisierte Uhrzeiten verschiedener Systeme zu bilden, die bis auf eine Nanosekunde genau sind.
Die Zeitstempel des Zeitservers werden bevorzugt über eine Mobilfunkübertragung zum Schienenfahrzeug übertragen und dort ausgewertet. Nachfolgend wird dann der Uhrzeit-Abgleich durchgeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird als externe Uhrzeit-Quelle ein Signal eines Mobilfunknetzes verwendet, das vom Schienenfahrzeug empfangen wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird als interne Uhrzeit-Quelle eine Display-Eingabe verwendet. Dies ermöglicht eine manuelle Zeitvorgabe bzw. Korrektur oder ein Zurücksetzen der Referenz-Uhrzeit durch einen Triebfahrzeugführer, etc.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die interne Uhrzeit-Quelle bzw. die Echtzeituhr derart ausgebildet, dass die von ihr bereitgestellte Uhrzeit unabhängig vom Betriebszustand des Schienenfahrzeugs für den Uhrzeit-Abgleich stets zur Verfügung steht - also unabhängig davon, ob sich das Schienenfahrzeug im operativen Betrieb befindet, aufgerüstet oder abgerüstet ist, auf einem Gleis abgestellt ist, etc.
Um diese Funktionalität zu gewährleisten, wird beim betriebenen Schienenfahrzeug die interne Uhrzeit-Quelle über eine Bordbatterie des Schienenfahrzeugs mit Energie versorgt.
Bei einem Ausschalten des Schienenfahrzeugs wird die interne Uhrzeit-Quelle über einen Akku mit Energie versorgt, sobald die Bordbatterie in ihrer Kapazität erschöpft ist.
Sind sowohl Bordbatterie als auch Akku in ihrer Kapazität erschöpft, wird die interne Uhrzeit-Quelle über eine Batterie, die der internen Uhrzeit-Quelle individuell zugeordnet ist, mit Energie versorgt. Diese Batterie ist dabei bevorzugt als Lithium-Batterie ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Referenz-Uhrzeit an die entsprechenden Geräte über ein Kommunikationsmedium (beispielsweise Ethernet, MVB, CAN, etc.) übertragen.
Aus dem GPS-Signal wird neben der Uhrzeit auch die Position des Schienenfahrzeugs ermittelt. Diese Position in einem Schienenfahrzeug-internen Positionsserver abgespeichert und über ein Kommunikationsmedium angeschlossenen Geräten zur Verfügung gestellt.
Durch die vorliegende Erfindung wird den beteiligten Geräten eine Referenz-Uhrzeit schnell und zuverlässig zur Verfügung gestellt, denn die beteiligten Uhrzeit-Quellen bzw. die im Schienenfahrzeug zu ihrer Übertragung verwendeten Komponenten weisen lediglich geringe Hochlaufzeiten auf.
Durch die vorliegende Erfindung steht eine hochgenaue Referenz-Uhrzeit über eine lange Betriebszeit auf dem Schienenfahrzeug zuverlässig zur Verfügung.
Durch die vorliegende Erfindung werden Diagnosemeldungen zuverlässig und fehlerfrei gebildet, so dass deren Auswertung verbessert wird.
Die vorliegende Erfindung erlaubt einen langzeitigen und stromsparenden Betrieb der beteiligten Komponenten, auch wenn das Schienenfahrzeug ausgeschaltet bzw. abgerüstet ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird auf dem Schienenfahrzeug die gleiche Referenz-Uhrzeit wie in einer landseitigen, d.h in einer vom Schienenfahrzeug räumlich entfernten, Kontrollstelle verwendet. Dies ist wichtig für einen Nachweis der Dauer einer Datenübertragung zwischen Schienenfahrzeug und Landseite.
Durch die vorliegende Erfindung werden Uhrzeit-Abweichungen der internen Uhrzeit-Quelle bzw. der Echtzeituhr, die durch Chip-Alterungsprozesse verursacht werden können, durch den Signal-Empfang der externen Uhrzeit-Quellen kompensiert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Figur das erfindungsgemäße Verfahren in einem prinzipiellen Blockschaltbild.
Ein Uhrzeit-Positionsserver UPS wird über eine Bordbatterie eines Schienenfahrzeugs BAT-LOK und über einen Akku AKKU-EXT mit Energie versorgt.
Der Uhrzeit-Positionsserver UPS erhält als Eingangssignale einen Betriebszustand des Schienenfahrzeugs BET-FZ, eine über ein Display DISP manuell setzbare Zeiteingabe und Zeitsignale von externen Uhrzeit-Quellen.
Der Uhrzeit-Positionsserver UPS beinhaltet einen Uhrzeit-Abgleich T-ABG, der Zeitsignale mehrerer Uhrzeit-Quellen erhält. Durch den Uhrzeit-Abgleich T-ABG wird eine Referenz-Uhrzeit gebildet, die über einen Uhrzeit-Server T-SER und über eine Kommunikationsverbindung Ethernet oder MVB oder CAN an Geräte GER des Schienenfahrzeugs übertragen wird.
Die Geräte GER synchronisieren sich zeitlich auf die Referenz-Uhrzeit.
Der Uhrzeit-Positionsserver UPS weist eine im Schienenfahrzeug angeordnete, also interne Uhrzeit-Quelle auf, die hier als „real time clock“ bzw. als Echtzeituhr RTC ausgebildet ist. Diese Echtzeituhr RTC misst eine physikalische Zeit und stellt in Bezug auf das Schienenfahrzeug eine lokale Uhrzeit bereit.
Zur Energieversorgung ist die Echtzeituhr RTC mit einer Lithium-Batterie BAT verbunden.
Dem Uhrzeit-Abgleich T-ABG werden, wie nachfolgend beschrieben, Zeitsignale von externen Uhrzeit-Quellen zugeführt, die außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnet sind.
Dabei handelt es sich um ein GPS-Signal, das im Schienenfahrzeug über eine GPS-Antenne GPS-ANT empfangen und an einen GPS-Empfänger GPS-REC übertragen wird. Basierend auf dem GPS-Signal wird eine Uhrzeitangabe T gebildet und dem Uhrzeit-Abgleich T-ABG zugeführt.
Basierend auf dem GPS-Signal wird auch eine Positionsangabe des Schienenfahrzeugs gebildet und über einen Positionsserver POS-SER des Schienenfahrzeugs jeweils betroffenen bzw. vorbestimmten Geräten GER des Schienenfahrzeugs über die Kommunikationsverbindung Ethernet oder MVB oder CAN zur Verfügung gestellt.
Alternativ oder ergänzend zum GPS-Signal wird als externe Uhrzeit-Quelle ein vom Schienenfahrzeug räumlich getrennter NTP-Server verwendet, um dem Schienenfahrzeug unter Verwendung einer Mobilfunkübertragung MF und einer Funkeinheit FE, das im Schienenfahrzeug angeordnet ist, ein weiteres Zeitsignal zuzuführen. Die Funkeinheit FE ist über eine Verbindung Ethernet mit dem Uhrzeit-Abgleich T-ABG verbunden.
Bei der Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs bzw. beim Hochfahren der Geräte GER des Schienenfahrzeugs wird zur Synchronisation der Geräte GER die Uhrzeit der internen Uhrzeit-Quelle RTC bzw. der Echtzeituhr RTC als Referenz-Uhrzeit verwendet.
Sobald im Schienenfahrzeug eine Uhrzeit einer externen Uhrzeit-Quelle empfangen wird, wird ein Abgleich der Uhrzeit der externen Uhrzeit-Quelle GPS, NTP mit der Uhrzeit der internen Uhrzeit-Quelle RTC durchgeführt und dadurch eine neue Referenz-Uhrzeit gebildet, die an die Geräte zur Synchronisation übertragen wird.

Claims

Verfahren zur Zeitsynchronisation von Geräten eines Schienenfahrzeugs - bei dem im Schienenfahrzeug eine Referenz-Uhrzeit an ausgewählte Geräte des Schienenfahrzeugs übertragen wird, - bei dem sich die Geräte auf die Referenz-Uhrzeit zeitlich synchronisieren, - bei dem eine im Schienenfahrzeug angeordnete, interne Uhrzeit-Quelle verwendet wird, um eine interne Uhrzeit zu bilden, - bei dem eine außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnete, externe Uhrzeit-Quelle verwendet wird, um eine externe Uhrzeit zu bilden und diese als Signal an das Schienenfahrzeug zu übertragen, - bei dem bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs noch nicht empfangen wurde, die interne Uhrzeit als Referenz-Uhrzeit verwendet wird, - bei dem zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgendem zweiten Zeitpunkt, zu dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs empfangen wurde, im Schienenfahrzeug ein Uhrzeit-Abgleich zwischen der internen Uhrzeit und der externen Uhrzeit durchgeführt wird, um eine aktualisierte Referenz-Uhrzeit für die zeitliche Synchronisation der Geräte zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als interne Uhrzeit-Quelle eine Echtzeituhr im Schienenfahrzeug verwendet wird, um das interne Uhrzeit-Signal zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als interne Uhrzeit-Quelle eine Display-Eingabe verwendet wird, um aus einer damit im Schienenfahrzeug vorgenommenen, manuellen Zeiteingabe die interne Uhrzeit zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als externe Uhrzeit-Quelle ein GPS-Signal verwendet wird, das vom Schienenfahrzeug empfangen und analysiert wird, um daraus die externe Uhrzeit zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als externe Uhrzeit-Quelle ein NTP-Server verwendet wird, um die externe Uhrzeit zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als externe Uhrzeit-Quelle ein vom Schienenfahrzeug empfangenes Signal eines Mobilfunknetzes verwendet wird, um die externe Uhrzeit zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Echtzeituhr unabhängig vom Betriebszustand des Schienenfahrzeugs mit Betriebsenergie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Echtzeituhr - über eine Bordbatterie des Schienenfahrzeugs mit Energie versorgt wird, bis deren Kapazität erschöpft ist, - nachfolgend über einen Akku des Schienenfahrzeugs mit Energie versorgt wird, bis dessen Kapazität erschöpft ist, und - nachfolgend über eine Batterie, die der Echtzeituhr zur individuellen Energieversorgung zugeordnet ist, mit Energie versorgt wird, wenn die Kapazitäten der Bordbatterie und des Akkus erschöpft sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Referenz-Uhrzeit an die entsprechenden Geräte über ein Kommunikationsmedium übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus dem GPS-Signal neben der Uhrzeit auch die Position des Schienenfahrzeugs ermittelt wird und diese über ein Kommunikationsmedium angeschlossenen Geräten zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt wird.
Anordnung mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zumindest aufweisend: - ein Schienenfahrzeug, - Geräte im Schienenfahrzeug, die derart ausgebildet sind, dass sie sich bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs auf eine Referenz-Uhrzeit synchronisieren, - im Schienenfahrzeug angeordnete Mittel zur Übertragung der Referenz-Uhrzeit an die Geräte, - eine im Schienenfahrzeug angeordnete, interne Uhrzeit-Quelle, die ein internes Uhrzeit-Signal bildet, - eine außerhalb des Schienenfahrzeugs angeordnete, externe Uhrzeit-Quelle, die ein externes Uhrzeit-Signal bildet, das an das Schienenfahrzeug übertragen wird, - Mittel zur Bildung der Referenz-Uhrzeit, derart ausgebildet, - dass bei einer Inbetriebnahme des Schienenfahrzeugs, bei dem das externe Uhrzeit-Signal seitens des Schienenfahrzeugs noch unbekannt ist, das interne Uhrzeit-Signal als Referenz-Uhrzeit verwendet wird, - dass nach einem seitens des Schienenfahrzeugs erfolgenden Empfang des externen Uhrzeit-Signals im Schienenfahrzeug ein Uhrzeit-Abgleich zwischen dem internen Uhrzeit-Signal und dem externen Uhrzeit-Signal durchgeführt wird, um eine aktualisierte Referenz-Uhrzeit für die Synchronisation der Geräte zu bilden.