DE4421821A1 - Selbstorganisierende Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem es gelingt, ein oder mehrere führerlose oder manuell geführte Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, ohne nennenswerte Einrichtungen am Fahrweg auf ein- oder mehrgleisigen Strecken und Netzen sicher, d. h. kolli­ sionsfrei zu betreiben.

Das vorgeschlagene Verfahren soll einerseits Zusammenstöße von Fahrzeugen während des Betriebes sicher ausschließen. Andererseits sollen sich Fahrzeuge nicht gegenseitig blockieren, indem sie sich gegenseitig den Fahrweg versperren. Und drittens sollten Fahrzeuge nicht unnötig am Fahren gehindert werden, weil dadurch die Lei­ stungsfähigkeit beeinträchtigt wird.

Zu diesem Zweck verständigen sich die beteiligten Fahrzeuge unter­ einander und stimmen die vorgesehenen Fahrtabläufe nach vorgege­ benen Regeln aufeinander ab.

Es ist bekannt, daß der sichere Betrieb spurgeführter Fahrzeuge durch Regeln oder technische Einrichtungen gewährleistet wird. Für den Straßenverkehr legt die Straßenverkehrsordnung entspre­ chende Verhaltensweisen als Verkehrsregeln fest. Sie werden wo erforderlich durch technische Hilfsmittel (Verkehrszeichen, Licht­ signalanlagen u. a.) ergänzt. Im spurgeführten Verkehr sind die Sicherheitsanforderungen sehr viel höher. Technische Einrichtungen am Fahrweg erzwingen sowohl den örtlichen wie den zeitlichen Fahrt­ ablauf. Die angewendeten Verfahren sind Fahrstraßenbildung und Zugfolgeregelung durch Signale.

Die Fahrtsicherung durch ortsfeste technische Einrichtungen ist eine aufwendige und teure Angelegenheit. Sie hat darüberhinaus den Nachteil ortsgebunden zu sein. Ortsfeste Einrichtungen können sich verlagernden Transportbedarf nicht oder nur schwer anpassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sicheren und leistungs­ fähigen Schienenverkehr ganz oder nahezu ohne ortsfeste tech­ nische Einrichtungen abzuwickeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ein­ richtungen zum Einhalten der vorgeschriebenen Fahrgeschwindigkeit, zum Einstellen der gewünschten Fahrtroute und zum Erkennen und Vermeiden von Konflikten mit anderen Fahrzeugen im wesentlichen oder ausschließlich auf einem oder allen Fahrzeugen untergebracht sind und der Fahrweg nicht oder nur an wenigen Stellen mit tech­ nischen Einrichtungen zu Betriebsführung bestückt ist.

Um ein solches Betriebsverfahren zu realisieren, müssen die Fahr­ zeuge über den jeweiligen Betriebszustand ihrer Nachbar-Fahrzeuge ständig oder fallweise informiert sein. Daraus leiten sie nach vorgegebenen Regeln ihr eigenes Fahrverhalten ab.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß die für den Betriebsablauf benötigten technischen Ein­ richtungen, wenn sie an Bord der Fahrzeuge mitgeführt werden, immer genau an den Stellen und in der notwendigen Menge verfüg­ bar sind, wo sie gebraucht werden: nämlich dort, wo Fahrzeuge operieren. Ihre Anwendung steht und fällt mit den Verfahren, mit denen aus Informationen über augenblickliche Betriebszustände Anweisungen abgeleitet werden, die unter Wahrung der Sicherheit alle Fahrzeuge möglichst schnell und wirtschaftlich zu ihren Zielen führen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt eine Anlage mit mehreren Weichen, auf den ein ein­ ziges Fahrzeug die Ziele A bis E beliebig anfahren soll. Im Hin­ blick auf spätere Anwendungen ist die Anlage in Abschnitte unter­ teilt. Zu jedem Auftrag, von einer Quelle zu einem Ziel zu fahren, gehört eine Route, die sich aus hintereinanderliegenden Strecken­ abschnitten zusammensetzt. Für den Fahrtablauf muß die Route be­ kannt sein.

Die Fahrt wird abschnittsweise abgewickelt, wobei jeweils ein Abschnitt vor Einfahrt belegt, sodann befahren und nach dem Ver­ lassen wieder freigegeben wird. Abschnitte, die Weichen enthalten, werden nur befahren, wenn ein Dauerkontakt zur Weiche während der gesamten Fahrt im Abschnitt aufrechterhalten wird. Während des Dauerkontaktes ist die Weichenstelleinrichtung blockiert. Aus­ bleiben des Dauerkontaktes bringt das Fahrzeug zum Zwangshalt. Beide Maßnahmen gewährleisten die Sicherheit nach dem fail-safe- Prinzip.

Nach Erreichen des Ziels ist der Auftrag abgeschlossen.

In Fig. 2 sind die Elemente einer Mission und deren Verknüpfung als Fußdiagramm dargestellt, wenn nur ein einziges Fahrzeug tätig ist.

Die Mission beginnt mit dem Auftrag. Aus den an Bord gespeicherten Quelle-Ziel-Relationen wird eine Route ausgewählt.

Danach beginnt die Fahrt.

Die Mission endet im Ziel.

In Fig. 3 sind sämtliche möglichen Quelle/Ziel-Relationen, die als Routen bezeichnet werden, für eine Anlage mit den fünf Sta­ tionen A bis E mit Quelle und Ziel benannt und in einer 5 × 5- Matrix gespeichert. Jeder Route entspricht eine Zahlenfolge, welche die Aufeinanderfolge der Streckenabschnitte angibt, z. B. Route AD: 1-2-4-5-6-7-9. Aus der Quelle/Ziel-Matrix ist jede Route sofort abrufbar. Für eingleisige Strecken gilt z. B. Route AD = Route DA.

In einem eingleisigen Netz mit n Stationen gibt es (n²-n) mög­ liche Routen.

Fig. 4 zeigt das Flußdiagramm für die Fahrt eines einzigen selbst­ tätigen Fahrzeugs mit vom Fahrzeug gesteuerter Fahrwegeinstellung im Detail. Die Prozedur beginnt mit dem Auftrag. Danach wird vom Fahrzeug aus einem Speicher die zugehörige Route gewählt. Eine Zustimmung durch andere Fahrzeuge entfällt, weil nicht vorhanden. Das Fahrzeug verläßt den Zwangshalt und beginnt die Fahrt.

Aus seiner Fahrgeschwindigkeit und dem Beginn des nächsten Strecken­ abschnittes wird an Bord der Anmeldepunkt für den nächsten Streckenabschnitt berechnet. Formal belegt das Fahrzeug nun den nächsten Streckenabschnitt und sperrt ihn an Bord für jede andere Nutzung.

Falls das folgende Segment eine Weiche ist, muß diese auf Fragen des Fahrzeugs ständig antworten und damit sowohl die richtige Weichenstellung als auch die Weichenendlage bestätigen. Sollte die Antwort ausbleiben, geht das Fahrzeug in Zwangshalt. Es nimmt die Fahrt erst wieder auf, wenn die Weiche ordnungsgemäß funktioniert, d. h. in der gewünschten Endlage liegt und Anfragen des Fahrzeugs richtig beantwortet. Nach dem Überfahren des Ab­ meldepunktes wird das vorherige Streckensegment freigegeben und kann anderweitig genutzt werden. Die Fahrt endet, wenn das Ziel erreicht ist.

An- und Abmeldepunkte, an denen Streckenabschnitte angefragt bzw. belegt und freigegeben werden, sind bei herkömmlichen An­ lagen ortsfeste Punkte. Wenn sich die technischen Einrichtungen zur Betriebsführung an Bord befinden, richtet sich die Lage der Anmeldepunkte zweckmäßig nach der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit der fahrenden Einheit. Die Belegung eines Streckenabschnitts muß später im Bremswegabstand vor der Streckenabschnittsgrenze abge­ schlossen sein. Langsame Einheiten melden sich wesentlich später als schnellfahrende. Die Abmeldung erfolgt, wenn die fahrende Einheit in ihrer ganzen Länge die Streckenabschnittsgrenze pas­ siert hat. Sie hängt von der Länge der Einheit ab.

In Fig. 5 ist eine Anlage mit zwei gleichzeitig operierenden (operieren - lt. DUDEN: sich zielgerichtet bewegen mit genauer Abstimmung der Aufgaben) Fahrzeugen Fzg.I und Fzg.II schematisch dargestellt. Die beiden Fahrzeuge dürfen nicht mehr unabhängig voneinander auf der Anlage fahren. Es muß ausgeschlossen werden, daß sie denselben Strecken­ abschnitt zur selben Zeit befahren. Deshalb ist ein Routenab­ gleich unumgängliche Voraussetzung für sicheren kollisionsfreien Betrieb. Im einfachsten Falle prüft ein Fahrzeug die Fahrtroute des anderen. Wenn es Konfliktfreiheit feststellt, erteilt es sich selbst und dem anderen Fahrzeug Zustimmung zur Fahrt auf den gewählten und geprüften Routen.

Fig. 6 zeigt das Flußdiagramm für den sicheren Betrieb von mehr als einen Fahrzeug in einem abgegrenzten Betrieb. Es unterscheidet sich von dem schon bekannten Diagramm in Fig. 2 durch den zwischen "ROUTENWAHL" und "FAHREN" eingeschobenem Programmblock "ZUSTIMMUNG". Ohne Zustimmung kann die Fahrt nicht begonnen oder fortgesetzt werden.

Fig. 7 zeigt als Beispiel das Unterprogramm "ZUSTIMMUNG" als Flußdiagramm für ein sehr einfaches aber äußerst wirksames Be­ triebsverfahren: Fzg.I kann nur fahren, wenn ständiger Kontakt zu Fzg.II besteht und Fzg.II in eine Station steht, die nicht Ziel von Fzg.I ist.

Die Prozedur mit der vorstehende Bedingungen überprüft werden, sieht vor, daß abgefragt wird, ob Fzg.II sendet bzw. Informationen von Fzg.II empfangen werden, ob Fzg.II steht und ob Fzg.II in einer Station steht. Negative Ergebnisse führen - auch wenn das Fahrzeug schon fährt - zur Zurücknahme der Zustimmung und lösen einen Zwangshalt aus. Ferner wird geprüft, ob Fzg.II im Ziel von Fzg.I steht. Bei positivem Befund wird die Zustimmung nicht erteilt oder eine bereits erteilte Zustimmung zurückgenommen und in eine Zwangsbremsung überführt.

Fig. 8 zeigt das gesamte Flußdiagramm für den einfachen Betriebs­ fall, daß ein Fahrzeug nur fahren darf bzw. kann, wenn vom anderen ständig Informationen empfangen werden und feststeht, daß es in einer Station steht, die nicht Ziel des ersten Fahrzeugs ist.

Fig. 9 zeigt als Flußdiagramm, wie die Elemente der Missionen zueinander in einem engeren Netz operierender Fahrzeuge verknüpft sind.

Die Fahrt eines Fahrzeugs beginnt erst, wenn die Zustimmung des anderen Fahrzeug vorliegt. Die Zustimmung hängt von den gewählten Routen ab. Sie werden miteinander verglichen.

Fig. 10 zeigt beispielhaft die Verfahren zur Konflikterkennung durch Routenabgleich.

Die Routen erscheinen in der Abstraktion als Zahlenreihen, wobei jede Zahl für einen Streckenabschnitt steht. Beim Routenabgleich werden die Zahlen der einen Route der Reihe nach mit der Zahlen­ reihe der anderen Route verglichen. Vier Ergebnisse sind möglich.

• a. Die vorgesehene Route I des Fahrzeugs I hat mit der vorgesehenen Route II des Fahrzeugs II keinen Streckenabschnitt gemeinsam. Jedes Fahrzeug kann dem anderen die Zustimmung für die Fahrt erteilen.
• b. Die vorgesehene Route I des Fahrzeugs I hat mit der vorgese­ henen Route II des Fahrzeugs II Streckenabschnitte gemeinsam, die nicht Quelle oder Ziel sind, d. h. am Anfang oder am Ende der Route liegen. Es entsteht ein Zeitkonflikt, wenn beide Fahr­ zeuge dieselben Streckenabschnitte zu gleichen Zeit benutzen wollen.
  Zeitkonflikte werden durch zeitlich versetzte Fahrtenfolge ge­ löst. Es wird nur einem Fahrzeug - Fahrzeug I oder Fahrzeug II - nach untergeordneten Kriterien (z. B. Vorrang, Geschwindigkeit, Wartedauer) die Zustimmung erteilt. Das andere erhält die Zu­ stimmung erst, wenn das zuerst gestartete Fahrzeug den kri­ tischen, gemeinsam beanspruchten Fahrwegbereich passiert hat.
• c. Das Ziel eines Fahrzeugs ist mit der Quelle des anderen Fahr­ zeugs identisch. Es existiert ein Zielkonflikt.
  Der Zielkonflikt kann nur gelöst werden, wenn das Fahrzeug, welches das Ziel des anderen besetzt, die Fahrt als erstes be­ ginnt. Dieses Fahrzeug erhält die Zustimmung vom behinderten Fahrzeug, verweigert dem behinderten Fahrzeug aber seine eigene Zustimmung.
  Das freigegebene Fahrzeug erteilt dem behinderten Fahrzeug erst dann die Zustimmung, wenn es den kritischen gemeinsam be­ anspruchten Fahrbereich passiert hat.
• d. Quellen und Ziele beider Fahrzeuge sind identisch, d. h. Quelle eines Fahrzeugs ist jeweils Ziel des anderen.
  Die Fahrzeuge blockieren sich gegenseitig.
  Die Blockade kann nur aufgelöst werden, wenn eines der Fahr­ zeuge vorübergehend ein Zwischenziel anfährt. Die Strategien zur Auswahl von Zwischenzielen sind mannigfaltig und nach nach­ geordneten Kriterien (kurze Wege, geringste Behinderung usw.) wählbar.

Wie Konflikte erkannt werden, läßt sich allgemein formulieren:

• a. Wenn jede Zahl in beiden Zahlenreihen zusammen nur einmal auf­ taucht, gibt es keinen Konflikt.
• b. Wenn Zahlen, die nicht am Anfang oder am Ende einer Zahlen­ reihe stehen, in beiden Zahlenreihen auftauchen, existiert ein Zeitkonflikt.
• c. Wenn eine Zahl, die am Anfang einer Zahlenreihe steht auch am Ende der anderen Zahlenreihe auftaucht, existiert ein Ziel­ konflikt.
• d. Wenn die Zahlen am Anfang und am Ende einer Zahlenreihe am Ende und am Anfang der anderen Zahlenreihe auftauchen, exi­ stiert eine Blockade.

In Fig. 11 sind beispielhaft für die in Fig. 10 aufgeführten Fälle Konfliktlösungen aufgezeigt. Die Zahl der Strategien zur Kon­ fliktlösung ist groß. Es ist zweckmäßig, für jeden Konflikttyp eine Standardprozedur festzulegen. Dadurch wird zwar nicht immer die beste Lösung erreicht; der Aufwand für die Konfliktlösung bleibt jedoch gering.

In Fig. 12 wird gezeigt, daß die eigentliche Gefahrenzone, die ein fahrendes Fahrzeug umgibt, nur so lang ist wie sein Anhalteweg. Letzterer hängt im wesentlichen vom Bremsweg ab. Es liegt nahe, nur jeweils soviel Fahrstrecke für die Fahrt eines Fahrzeuges zu belegen, wie es zur sicheren Fahrt bzw. bis zum sicheren Still­ stand benötigt. Den Anhalteweg schiebt das Fahrzeug als dyna­ mische, im wesentlichen von der Fahrgeschwindigkeit abhängige Sicherheitszone vor sich her. Der Fahrgrenzort FG, bis zu dem die Fahrstrecke mindestens zu belegen ist, ergibt sich aus dem augenblicklichen Fahrort F und der augenblicklichen Aktions­ länge a. Mit der dynamischen Fahrstreckenbelegung wird größtmög­ liche Ausnutzung der Fahrweganlagen und Beweglichkeit der Fahr­ zeuge erreicht.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben eines oder mehrere führerloser oder manuell geführter Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die technischen Einrichtungen zum Einhalten der vorgeschriebenen Fahrgeschwindigkeit und/oder zur Einstellung der gewünschten Fahrtroute und/oder zum Erkennen und Vermeiden von Konflikten mit anderen auf derselben Trasse befindlichen Fahrzeugen im wesentlichen oder ausschließlich auf einem oder allen Fahrzeugen untergebracht sind und der Fahrweg nicht oder nur an bestimmten ausgewählten Stellen mit Betriebs­ führungseinrichtungen bestückt ist.

2. Verfahren zum Betreiben eines oder mehrere führerloser oder be­ setzter Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Fahrzeuge zeitweise oder dauernd Informationen über ihren augen­ blicklichen Betriebszustand austauschen.

3. Verfahren zum Betreiben eines oder mehrerer führerloser oder besetzter Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Fahrzeuge die erhaltenen Informationen eines oder aller anderen Fahrzeuge auswerten und in geeigneter Weise daraus ihr Fahrverhalten ableiten.

4. Verfahren zum Betreiben eines oder mehrerer führerloser oder besetzter Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Fahr­ zeug auf einem Gleis, Streckenabschnitt oder Gleisnetz nur be­ wegt, wenn alle anderen Fahrzeuge an bestimmten Stellen stehen oder fahren, die in nächster Zeit vom bewegten Fahrzeug nicht befahren werden.

5. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrtrouten vom Start zum gewünschten Ziel von jedem Fahrzeug für sich oder von einem oder mehreren Fahrzeugen für alle anderen Fahrzeuge ausgewählt und/oder festgelegt werden.

6. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Fahrtroute vom Fahrzeug an Bord des Fahrzeugs oder im Fahrweg abschnitt­ weise angefragt, belegt, befahren und nach dem Befahren wieder freigegeben wird.

7. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Fahrzeug be­ legter Fahrwegabschnitt nicht von einem anderen Fahrzeug belegt werden kann, bevor der belegte Gleisabschnitt nicht wieder frei­ gegeben wurde.

8. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Anmeldung zum Belegen eines Streckenabschnitts von der jeweiligen Fahr­ geschwindigkeit bzw. dem jeweiligen Bremsvermögen und damit von der Länge des Bremsweges abhängig ist und die Anmeldung spät­ estens im Bremswegabstand vor der Streckenabschnittsgrenze ab­ gesetzt wird.

9. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Fahrzeug bzw. jede fahrende Einheit fortlaufend in Fahrtrichtung vor sich einen Streckenabschnitt belegt, der der jeweiligen Länge seines Bremsweges entspricht.

10. Verfahren zum Betreiben führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Fahrzeug bzw. jede fahrende Einheit unmittelbar hinter ihrem Schluß den belegten Streckenabschnitt wieder frei gibt.

11. Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen zweier oder mehrerer führerloser oder manuell geführter Fahrzeuge, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zeitkonflikte, die dadurch entstehen, daß zwei oder mehrere Fahrzeuge denselben Fahrweg oder Abschnitte davon zur gleichen Zeit beanspruchen, durch zeitlich versetzte Fahrtenfolge gelöst werden, indem die Fahrtenfolge danach festgelegt wird, wie schnell jedes Fahrzeug den kritischen, gemeinsam beanspruchten Fahrwegbereich freigeben wird.

12. Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen zweier oder mehrerer führerloser oder manuell geführter Fahrzeuge, dadurch gekenn­ zeichnet, daß versucht wird, Zielkonflikte, die dadurch ent­ stehen, daß die Ziele eines oder mehrerer Fahrzeuge noch von anderen Fahrzeugen besetzt sind, durch zyklische Vertauschung der Fahrtenfolge zu lösen.

13. Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen oder Behinderungen zweier oder mehrerer führerloser oder manuell geführter Fahr­ zeuge, dadurch gekennzeichnet, daß versucht wird, Blockaden, die dadurch entstehen, daß Quellen und Ziele zweier oder mehre­ rer Fahrzeuge identisch sind, durch vorübergehendes Anfahren eines Zwischenziels zu lösen.

14. Verfahren zum Betreiben eines oder mehrerer führerloser oder manuell geführter Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle irgendwelcher tatsächlich oder fiktiv festgelegter stationärer Streckenabschnitte und deren Grenzen dynamische, von der Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge oder der zulässigen Streckengeschwindigkeit abhängige Aktionslängen treten, welche die Fahrzeuge vor sich herschieben, belegen und für andere Fahrzeuge sperren, und aus denen sich zusammen mit dem je­ weiligen Fahrort des Fahrzeugs der ortsveränderliche Fahrgrenz­ ort des betreffenden Fahrzeugs ergibt.