EP1693272A1

EP1693272A1 - Verfahren und Antennenanordnung zur Datenübertragung zwischen Fahrzeug und Gleisbereich

Info

Publication number: EP1693272A1
Application number: EP06000882A
Authority: EP
Inventors: Arthur Windisch
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: EP1693272B1; DE502006000658D1; ATE393075T1

Abstract

In der Eisenbahntechnik wird für die Sicherungstechnik neben der Übertragung von Daten mittels punktförmigen Einrichtungen auch die Übertragung mittels linienförmigen Einrichtungen, den so genannten Loops, eingesetzt. Es ist wünschenswert neben sicherheitsrelevanten Daten auch weitere Daten über bestehende Einrichtungen austauschen zu können, ohne die Sicherheitsanforderungen unzulässig zu beeinträchtigen. Es wird ein Verfahren und eine streckenseitige Antennenanordnung vorgestellt, bei welchen weitere Daten übertragen werden können, indem anstelle der üblicherweise verwendeten Koaxialkabel Kabel (20) mit mehreren Leiterpaaren (1, 2) verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Antennenanordnung zwischen Fahrzeug und Gleisbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Datenübertragung in der Eisenbahntechnik zwischen einem Geleise als ortsfeste Einrichtung und mindestens einem schienengebundenen Fahrzeug.
Dazu werden Strahlungskabel eingesetzt. Das sind üblicherweise Koaxialkabel mit einem speziellen Aussenleiter, welche die Auskopplung eines magnetischen Feldes erlauben. Andere Anordnungen benutzen einen einadrigen Leiter, welcher in Schleifen ausgelegt ist und in geeigneten Abständen ausgekreuzt ist.
Insbesondere im Bahnhofbereich werden auf diese Weise sicherheitsrelevante Daten, wie zum Beispiel die Halteposition oder Daten zur Abfahrtsverhinderung übertragen. Dort muss das Fahrzeug mit sicherheitsrelevanten Daten aus dem Zugleitprozess, wie beispielsweise der zu erreichenden Halteposition, der Geschwindigkeitslimite und Daten zur Abfahrtverhinderung versorgt werden. Diese Daten können von Einflussgrössen wie Fahrzeuggewicht, Zuglänge, Bremssystem und Witterung abhängig sein.
Neben sicherheitsrelevanten Daten sind weitere Daten, wie Prozessdaten und Zustandsinformation des Zuges respektive der Lokomotive für eine Übermittlung an die für die Infrastruktur zuständige Stelle von Interesse. So können zum Beispiel bei einem Ausfall einer Funktion wie z.B. einem Antriebsmotor spezifische Daten versendet werden. Aber auch für Fahrgastabrechnungssysteme oder Intrusionssysteme (Einbruch und Vandalismus in Fahrzeugen) ist eine Datenübermittlung vom Fahrzeug nach aussen von Interesse. Für Up Link Anwendungen ist die Fahrgast- Platzreservierung beispielhaft zu nennen. Für diese Aufgaben soll die bestehende Infrastruktur weitgehend genutzt werden.
Mit den für die Loopfunktion verwendeten Koaxialkabeln besteht das Problem der Gewährleistung der Sicherheit, wenn zusätzlich zur Zug-Sicherungsinformation noch weitere für den Bahnbetrieb relevante Daten zwischen Fahrzeug und Systemtechnik zusätzlich auf dem gleichen Leiter ausgetauscht werden. Die Anforderungen der erforderlichen Trennung und damit Unbeeinflussbarkeit sind nicht mehr gegeben.
In der Praxis zeigt sich auch, dass die Koaxialkabel mit ihrem nicht symmetrischen Aufbau gegen eine metallische leitfähige Umgebung wesentliche Nachteile durch die kapazitive und induktive Kopplung des Aussenleiters mit konstruktiven Elementen wie der Schiene und Weichen aufweisen. Es entstehen unkontrolliert Strompfade, welche ein zusätzliches H-Feld erzeugen, welches meist Interferenzen hervorruft.
Aus der Schrift EP 1 413 495 A1 ist eine Anordnung mit symmetrischen Kabeln twisted pair / verdrillte Zweier oder dann Verseilung im Vierer zur Verwendung als Strahlungskabel anstelle der Koaxialkabel bekannt. Dadurch wird eine weitgehende Kopplungs-Symmetrie mit leitenden Strukturen in der Umgebung erreicht, so dass kolaterale Strompfade, welche ein zusätzliches H-Feld erzeugen, weitgehend fehlen. Dadurch wird der Einfluss der Umgebung auf das Kabel reduziert.
In der Fachwelt wird zwischen den Begriffen verdrillt und verseilt unterschieden. Einheitlich ist die Handhabung in der Praxis nicht. In dieser Schrift fallt unter den Begriff verdrillt jede Anordnung, die eine helixförmige Leiterstruktur aufweist, beispielsweise auch die in der Fachwelt gelegentlich speziell angesprochenen Begriffe der Verseilung, Viererverseilung, Lagenverseilung und Dieselhorst-Martin-Verseilung. In der Wirkung auf das erfinderische Verfahren und die Anordnung besteht kein prinzipieller Unterschied.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Antennenanordnung anzugeben, die es erlauben, unter weitgehender Nutzung vorhandener Infrastruktur zusätzliche Daten zwischen Fahrzeug und Schiene zu übertragen, ohne die Sicherheitsanforderungen für die Übertragung der sicherheitsrelevanten Daten unzulässig zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 7 angegebenen Massnahmen gelöst.
Das erfindungsgemässe Verfahren, wonach
sicherheitsrelevante Daten getrennt von weiteren Daten in einem oder mehreren separaten Kanälen und auf einem oder mehreren separaten Leiterpaaren übertragen werden,
erlaubt eine Übertragung zusätzlicher Daten, ohne unzulässige Beeinflussung sicherheitsrelevanter Daten. Die streckenseitige Antennenanordnung, für welche ein weiterer getrennter Kanal zur Übertragung weiterer Daten bereitgestellt ist, für welchen ein weiteres Leiterpaar vorhanden ist, erlaubt dabei die Nutzung bestehender Infrastruktur.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Durch die folgenden Merkmale einzeln oder in Kombination untereinander kann die Zuverlässigkeit und/oder die Übertragungskapazität von der Datenübertragung zusätzlich erhöht werden und/oder besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden:

i): Betreiben der verschiedenen Kanäle auf verschiedenen Frequenzen. Dadurch lassen sich insbesondere Interferenzphänomene vermeiden. Massnahmen zur Verhinderung einer gegenseitigen Beeinflussung können klein gehalten werden oder fallen gänzlich weg.
ii): Verdrillung von Leiterpaaren untereinander und/oder miteinander. Bei einer geeigneten Wahl der Schlaglänge heben sich dabei die unterschiedlichen Einflüsse eines elektromagnetischen Felds auf die Hin- und die Rückleitung eines Leiterpaars im Wesentlichen auf.
iii): Vermeidung von Sekundärströmen durch eine geeignete geometrische Anordnung der Leiter im Kabel.
iv): Symmetrische Anordnung von Leiterpaaren im Kabel. Dadurch können insbesondere elektromagnetische Kopplungen zwischen diesem Leiterpaar und seiner Umgebung, insbesondere jedoch der Kabelumgebung reduziert werden.
v): Anordnung der Leiterpaare in einem zylinderförmigen Segment und/oder in einem oder mehreren hohlzylinderförmigen Segmenten. Besonders wenn in einem Kabel eine Vielzahl von Leiterpaaren untergebracht werden müssen erleichtert sich dadurch dessen Herstellung.
vi): Anordnung der Leiter im Kabel so, dass in einem Querschnitt durch das Kabel ein Leiterpaar im Wesentlichen in einem Bereich in der Nähe der Verbindungslinie des anderen Leiterpaars, jedoch ausserhalb der Verbindungsstrecke dieses anderen Leiterpaars angeordnet ist (Fig. 10). In diesem Bereich zeigen die magnetischen Feldvektoren im Wesentlichen in entgegensetzte Richtungen und heben sich daher teilweise auf.
vii): Alle Leiter weisen den genau gleichen Schlag auf. Damit weist ein beliebiger Leiter an jeder Stelle entlang des Kabels zu jedem der weiteren Leiter im Kabel eine konstante Koppelgrösse auf.
viii): Betreiben der verschiedenen Kanäle mit unterschiedlichen Modulationsverfahren.
ix): Nutzung eines Kabels, in dem die für Übertragungs-Leiterschleifen nicht genutzten Leiter durch vereinfachte Substitute/Platzhalter aus Kunststoff ohne elektrische Leiter ersetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: Darstellung der Verlegung eines Kabels im Gleisbereich;
Figur 2: Elektrische Ersatzschaltung einer zusätzlichen Antenne aus einem weiteren Leiterpaar;
Figur 3: Darstellung des Aderaufbaus;
Figur 4: Anordnung und Beschaltung eines Kabels gemäss Stand der Technik;
Figur 5: Anordnung und Beschaltung eines Kabels in einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 6: Anordnung und Beschaltung eines Kabels in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7: Anordnung und Beschaltung des Kabels in einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8: Anordnung und Beschaltung eines Kabels in einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 9: Anordnung und Beschaltung eines Kabels in einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 10: Anordnung und Beschaltung eines Kabels in einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

In Figur 1 ist die Verlegung eines Kabels 20 im Gleisbereich dargestellt. Sichtbar ist auch der Abschlusswiderstand 22 und die Kommunikationseinheit 21.
Figur 2 zeigt eine elektrische Ersatzschaltung einer zusätzlichen Antenne aus einem verdrillten weiteren Leiterpaar 2. Dieses weitere Leiterpaar ist an eine Kommunikationseinheit 21 angeschlossen und über einen Abschlusswiderstand 22 abgeschlossen.
Figur 3 ist eine Darstellung des Aderaufbaus. Eine Ader 5 dient als Hinleiter o, die andere Ader 5 als Rückleiter x. Die Adern haben eine Litze 3, üblicherweise aus Kupfer, sowie eine Isolation 4.
Figur 4 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 mit einem ersten Leiterpaar 1 gemäss Stand der Technik.
Figur 5 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem ersten Leiterpaar 1 zur Übertragung sicherheitsrelevanter Informationen und einem weiteren Leiterpaar 2 zur Übertragung weiterer Informationen.
Figur 6 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform dient ein achsialsymmetrisches erstes Leiterpaar 1 zur Übertragung sicherheitsrelevanter Informationen, während ein weiteres ebenfalls axialsymmetrisches weiteres Leiterpaar 2 zur Übertragung weiterer Informationen vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform sind diese zwei Leiterpaare 1, 2 in einem ersten hohlzylinderförmigen Segment angeordnet.
Figur 7 zeigt eine Anordnung und Beschaltung des Kabels 20 in einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Auch in dieser Ausführungsform sind die Leiterpaare 1, 2 einem ersten hohlzylinderförmigen Segment angeordnet.
Figur 8 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 mit einem Mantel 8 in einer vierten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform werden sicherheitsrelevante Daten im Kern 7 des Kabels 20 übertragen, während weitere Daten in einem zum ersten

Leiterpaar 1 orthogonal angeordneten weiteren Leiterpaar 2 in der ersten zylinderförmigen Lage übertragen werden. Die Anordnung des ersten Leiterpaars 1 im Kern 7 des Kabels hat den Vorteil, dass sich die unterschiedlichen Einflüsse eines elektromagnetischen Feldes auf Hinleiter o und Rückleiter x des ersten Leiterpaares 1 besser kompensieren, da der Abstand der beiden Leiter kleiner ist, als wenn das erste Leiterpaar 1 in einem äusseren Segment des Kabels 20 angeordnet wäre.
Figur 9 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 mit einem Mantel 8 in einer fünften Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform werden sicherheitsrelevante Daten im Kern 7 des Kabels 20 übertragen, während weitere Daten in einem zum ersten Leiterpaar 1 parallelen weiteren Leiterpaar 2 in der ersten zylinderförmigen Lage übertragen werden. Befinden sich alle Leiter, wie in dieser Darstellung in einer Linie, so kann es je nach Schlaglängen auch sinnvoll sein, das erste Leiterpaar 1 in dem äusseren Segment anzuordnen, da sich die magnetischen Felder der einzelnen Leiter des inneren Leiterpaares dort teilweise kompensieren.
Figur 10 zeigt eine Anordnung und Beschaltung eines Kabels 20 gemäss einer sechsten Ausführungsform der Erfindungmit den zugehörigen Feldlinien 9. Im Bereich ausserhalb der Verbindungslinie des weiteren Leiterpaars 2 ist die Feldstärke geringer als bei gleicher Distanz in senkrechter Richtung dazu. Deshalb ist dieser Bereich besonders geeignet um dort ein zur Übertragung sicherheitsrelevanter Daten vorgesehenes erstes Leiterpaar 1 zu positionieren. Dieses Leiterpaar kann verdrillt sein (nicht dargestellt). Falls das weitere Leiterpaar 2 ebenfalls verdrillt ist, kann es zusätzlich zur eigenen Verdrillung spiralförmig um das weitere Leiterpaar 2 angeordnet sein. Weist die spiralförmige Anordnung den selben Schlag auf wie das weitere Leiterpaar 2, so kann dadurch die Position des ersten Leiterpaares im gewünschten Bereich niedriger magnetischer Feldstärke über die ganze Länge des Kabels 20 beibehalten werden.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Erstes Leiterpaar zur Übertragung sicherheitsrelevanter Information
2: Weiteres Leiterpaar zur Übertragung weiterer Daten
3: Litze, Leiter
4: Isolation
5: Ader
7: Kern
8: Mantel
9: Feldlinien
20: Kabel
21: Erdgebundene Kommunikationseinheit
22: Abschlusswiderstand
O: Hinleiter
X: Rückleiter

Claims

Verfahren zur bidirektionalen Datenübertragung für ein Zugbeeinflussungssystem zwischen einer auf einem Schienenfahrzeug montierten Kommunikationseinheit und einer erdgebundenen Kommunikationseinheit (21), wobei die erdgebundene Kommunikationseinheit (21) zur Aussendung und/oder zum Empfang von Signalen mit einem längs zu einem Geleise geführten Kabel (20) verbunden ist und in einem ersten Kanal sicherheitsrelevante Daten über ein erstes Leiterpaar (1) des Kabels (20) übertragen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiterer getrennter Kanal zur Übertragung weiterer Daten bereitgestellt wird, wobei für diesen Kanal ein weiteres Leiterpaar (2) des Kabels (20) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Kanal und der weitere Kanal auf einer je unterschiedlichen Frequenz und/oder mit verschiedenen Modulationen betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Leiterpaar (1, 2) verdrillt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterpaare (1, 2) im Kern (7) des Kabels (20) und/oder in einem oder mehreren hohlzylinderförmigen Segmenten um den Kern (7) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Querschnitt durch das Kabel (20) das erste Leiterpaar (1) im Wesentlichen im Bereich der Verbindungsachse des weiteren Leiterpaars (2), jedoch ausserhalb der Verbindungsstrecke des weiteren Leiterpaars (2) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei Leiter (o, x) eines Leiterpaares (1, 2) axialsymmetrisch angeordnet sind.
Antennenanordnung zur bidirektionalen Datenübertragung für ein Zugbeeinflussungssystem zwischen einer auf einem Schienenfahrzeug montierten Kommunikationseinheit und einer erdgebundenen Kommunikationseinheit (21), die gebildet wird aus einem längs zu einem Geleise geführten Kabel (20), das ein erstes Leiterpaar (1) aufweist, über das ein erster Kanal für die Übertragung sicherheitsrelevanter Daten bereitgestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kabel (20) wenigstens ein weiteres Leiterpaar (2) aufweist, über das ein weiterer getrennter Kanal zur Übertragung weiterer Daten bereitgestellt ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
für den ersten Kanal und den weiteren Kanal je unterschiedliche Frequenz und/oder verschiedene Modulation vorgesehen ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Leiterpaar (1, 2) verdrillt ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterpaare (1, 2) im Kern (7) des Kabels (20) und/oder in einem oder mehreren hohlzylinderförmigen Segmenten um den Kern (7) angeordnet sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Querschnitt durch das Kabel (20) das erste Leiterpaar (1) im Wesentlichen im Bereich der Verbindungsachse des weiteren Leiterpaars (2), jedoch ausserhalb der Verbindungsstrecke des weiteren Leiterpaars (2) angeordnet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei Leiter (o, x) eines Leiterpaares axialsymmetrisch angeordnet sind.