EP2057056A2 - Verfahren und einrichtung für ein modulares adaptives system zur steuerung und überwachung von bahnsicherungsanlagen - Google Patents

Verfahren und einrichtung für ein modulares adaptives system zur steuerung und überwachung von bahnsicherungsanlagen

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Publication number
EP2057056A2
EP2057056A2 EP07801440A EP07801440A EP2057056A2 EP 2057056 A2 EP2057056 A2 EP 2057056A2 EP 07801440 A EP07801440 A EP 07801440A EP 07801440 A EP07801440 A EP 07801440A EP 2057056 A2 EP2057056 A2 EP 2057056A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
components
track
interlocking
bus
supply
Prior art date
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Granted
Application number
EP07801440A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2057056B1 (de
Inventor
Daniel Helfer
Anton Reichlin
Arthur Windich
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Siemens Schweiz AG
Original Assignee
Siemens Schweiz AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Schweiz AG filed Critical Siemens Schweiz AG
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Publication of EP2057056A2 publication Critical patent/EP2057056A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2057056B1 publication Critical patent/EP2057056B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/16—Devices for counting axles; Devices for counting vehicles
    • B61L1/162—Devices for counting axles; Devices for counting vehicles characterised by the error correction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L21/00—Station blocking between signal boxes in one yard
    • B61L21/04—Electrical locking and release of the route; Electrical repeat locks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/20—Trackside control of safe travel of vehicle or train, e.g. braking curve calculation

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for a modular adaptive system for controlling and monitoring railway maintenance systems.
  • the railroad safety systems consist primarily of signal boxes with their indoor unit and their functional units in the track area in the outdoor area.
  • the signal boxes meet the requirements for safe
  • train control components such as ETCS components (balises and loop cables), anti-free-fall devices (axle counters and DC circuits).
  • the signal boxes themselves have block connections in order to manage the common interfaces at the monitoring limits in the network links in a safety-relevant manner.
  • control of the functional units in the track area by means of central control units (control parts), which are housed in the interlocking space.
  • control is carried out partially circumferentially partially with decentralized control parts, which in the vicinity of the functional units in the Outside system are arranged and are usually supplied via coming from the interlocking signal cable with energy and data.
  • the spatial arrangement of the signal boxes is today usually in the area of the stations.
  • Reason for this localization are the concentration of functional units in the outdoor area in the station area as well as the required control of the two outgoing sides of the route network with their sections and their security technical
  • each attachment is explicitly to the backup tasks for the competent section of the
  • Lightning strikes due to characteristics of the connecting cables (wire resistance in the transmission of energy, for example for the point machine - telegraph equations), limit the possible positioning distance between interlocking and functional unit on the track to a current maximum distance of about 6.5 km established in professional circles. A use of decentralized actuators can increase this maximum distance.
  • Connecting lines are real estate and thus immovable.
  • the data access takes place today in the concentration points in the expansion to one or more buildings distributed over a LAN.
  • the connection between remote control centers and control centers requires corresponding network connections.
  • the data-related connection of functional units in the outdoor system is carried out according to the distance, the interference, the data throughput and the required security level with the appropriate technology.
  • UPS Uninterruptible Power Supply
  • the effective supply is done in the interlocking, via the cable to the functional units run the necessary circuits for the formation of the function.
  • the supply of the supply via the interlock cable is required.
  • the source impedance of the supply at the decentralized control element is the limit. If more and more functions are centrally located in the signal box at the location of their effect in the track system, the continuous feed (via a supply bus) is advantageous.
  • a supply of the contact wire is also possible. This is particularly advantageous if the density of the functional units to be supplied along the route is very low and it is remote areas without a basic infrastructure for
  • a suitable substructure for the supply of several closely spaced units is expedient.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement which make it possible:
  • a data network is used.
  • the network fulfills the requirements regarding real-time, the security of the communication is covered by procedures according to EN 50159-1 for closed systems, the availability is ensured by redundant design of the data network.
  • access to a data bus is ensured at a freely selectable point in the system. All defined system units are connected to the data network.
  • the data network can also be used for other plant services.
  • the access points on the data network provide at any point a number of standardized interfaces of different technology and performance.
  • Option 1 Exemplary for such a network is the product OTN (Optical Transport Network) from Siemens and others.
  • OTN Optical Transport Network
  • Execution does not generally exclude other localized point-to-point and multipoint data connections outside the primary data network as far as they are suitable for the task. This also wireless solutions are possible.
  • a feed network is used.
  • a feed network is used.
  • the power supply with mains takes place in a suitable
  • Topology such as a ring, as used by the above exemplified OTN for the data.
  • nodes are used in which the monitoring and the switching to ensure the supply are made.
  • Multipoint as far as they are suitable for the task, are not generally sufficient for individual functional units.
  • the solution presented according to the invention has the following advantages: flexible allocation and division of the data network; connected functional units to the parent
  • the functional units on the rail network are simplified.
  • the functional units on the network are designed so that they can be commissioned and maintained autonomously;
  • Adjustment distances from the interlocking to the functional units are only by an appropriate length of the
  • the power bus is suitable for reliably supplying a large number of functional units.
  • the limit of the recording power of a functional unit is briefly at some kVA.
  • the length of such dining buses is limit losses so that failures do not have the required reliability.
  • An extension can be achieved by means of another system feed bus, which is not powered on the same basis.
  • the catenary can serve as a dining bus.
  • the catenary is differentiated, depending on the Einspurorder, double track, multiple tracks (stations). Also can be used for the feed bus directly the lines of Trakomsspeisezu Entryen.
  • Power can be supplied via a cable with 3L + N + PE (system power bus).
  • the system bus is redundantly implemented where necessary.
  • the feed-in can take place under the following boundary conditions: a) according to an appropriate segmentation of the system feed bus; b) The segmentation of redundant feed buses is geographically offset from one another so that redundant structures can be created.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the system architecture of a signal box
  • Figure 2 shows a schematic representation of the structure of a remote point setting part
  • FIG. 3 is a schematic representation of the structure and connection of an axle counting system
  • Figure 4 is a schematic representation of the structure of an OTN network
  • the present invention shows a solution for the execution of railway safety systems, which allow to minimize the infrastructure used in a tunnel, for example, and thus minimize the cost of installation and maintenance of the equipment.
  • the solution "barrier-free tunnel” is based essentially on the following innovations:
  • OTN Open Transport Network
  • the network makes it possible, via network nodes, to connect the remote components, such as pointsetting systems and axle counting points, transparently to the interlocking computers or axle counting computers. This transparency enables a process-assured transmission between the components of the interlocking. It would be possible to use this network for any other interlocking services. It is ensured that the requirements for a closed system according to EN 50159-1 are met.
  • This system has the following advantages: • innovative and cost-effective solution, based on the future product portfolio available for the backup systems;
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the system architecture of an interlocking example for an area of a long tunnel.
  • the exact number and distribution of the network nodes NWN and, concomitantly, the OTN topology are then to be optimized especially in the project planning phase.
  • the decentralized point control part takes over the control and monitoring of points on site and has the following features:
  • the interfaces of the control element to the interlocking are:
  • the actuator can also be built redundant.
  • FIG. 2 shows the system structure (configuration here without a redundant setting part) for the remote point setting part.
  • the Weichenticianil can also be used to control the locking of the lane change gates.
  • the solution "Axis counting with metering point transmission over long distances” contains a central counting element, a digital metering point (ZP D) with a secure computer core, which reports the recorded axis pulses as an axis number to the UCOM module via the communication interface (ISDN)
  • the measured axle numbers are then transferred to the axle counting calculator (AZR)
  • the AZR takes over the axle numbers received from the various UCOM modules and uses them to determine the current section conditions, which are output via the Interlocking Bus (IL bus) of the Area Control Component (ACC). from the electronic signal box.
  • IL bus Interlocking Bus
  • ACC Area Control Component
  • Point of delivery up to 10 km, this can be extended over the network OTN to over 100 km.
  • an error correction software is provided in the axle counting calculator for the following two fault categories:
  • the system will automatically correct miscounts at the digital metering point ZP D as soon as there is no more train in the two separate from the digital metering point ZP D
  • GMM Track vacancy
  • This correction can be configured individually for each metering point.
  • the axle counting calculator (AZR) is built as a 2 by 3 system.
  • error correction can also possibly on a redundant arrangement of the
  • FIG. 3 shows the basic system structure of the axle counting system:
  • OTN Open Transport Network
  • the OTN is a transmission system based on the latest fiber-optic technology. In the present case it has the following properties:
  • FIG. 4 shows the basic structure of an OTN system
  • RAMS Reliability, Availability, Maintainability and Safety
  • the possibility of redundant execution of the decentralized point control parts has a very positive effect on the reliability or availability of the entire interlocking system.
  • the frequency of fault class 4 or 3 can be considerably reduced due to the continuous redundancy.
  • the embodiment according to the invention offers the same RAM parameters as those of a conventional system conventionally connected to the signal box with regard to the axle counting system.
  • Axle counting system with error correction provides the same reliability with significantly less (installed) hardware as the conventional axis counting system in a redundant arrangement. At the same time, the cost of maintenance or repair is almost halved.
  • Tunnels result in advantages in terms of maintainability, which in turn increases the availability of the entire interlocking.
  • the railway safety of the sketched architecture is guaranteed in all cases.
  • the decentralized point adjustment part is subject to the current safety philosophy.
  • the new axle counting system uses the widely used ECC calculator and is configured and operated in the proven 2 of 3 configuration.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Erfindungsgemäss sind ein Verfahren und ein System zur Steuerung und/oder Überwachung von schienengebundenen Fahrzeugen vorgesehen, umfassend: a) mindestens ein Stellwerk, umfassend einen Stellwerkrechner; b) mindestens eine entlang eines Fahrwegs im Gleisbereich angeordnete Komponente zur Zugsicherung, insbesondere ein Signal, eine Balise, ein Loop-Kabel, ein Leckkabel, ein Achszähler; c) mindestens eine entlang des Fahrwegs im Gleisbereich angeordnete Komponente zur Fahrwegeinstellung, insbesondere eine einen Weichenantrieb umfassende Weiche, d) mindestens ein dezentrales Stellteil zur Einstellung der Komponenten zur Zugsicherung und der Komponenten zur Fahrwegeinstellung dadurch ge kenn ze ichnet, das s die Komponenten zur Zugsicherung und die Komponenten zur Fahrwegeinstellung über das ihnen zugeordnete dezentrale Stellteil über einen Datenbus an dem Stellwerkrechner ankoppeln und sicherheitsrelevante Informationen nach einem vorgegebenen Protokoll an den Stellwerkrechner übermittelt oder von diesem erhalten werden, wobei für die elektrische Speisung zumindest eines Teil dieser Komponenten ein Speisebus vorgesehen ist, der logisch vom Stellwerkrechner entkoppelt ist.

Description

Verfahren und Einrichtung für ein .nodulares adaptives System zur Steuerung und Überwachung von Bahnsicherungsanlagen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung für ein modulares adaptives System zur Steuerung und Überwachung von Bahnsicherungsanlagen.
Zur Erläuterung der nachfolgend immer wieder verwendeten Begriffe dient die Tabelle 1.
Tabelle 1 : Definition von immer wiederkehrenden Begriffen Nachfolgend werden einige weitere Anmerkungen zu den oben erläuterten Begriffen gegeben.
Systeme und Subsysteme sind namhafte Teile einer Anlage und bezeichnen eine "Zusammenstellung" aus mehreren Elementen, die untereinander in Wechselwirkung stehen. Die Verwendung des Begriffs „System" ist in diesem Kontext an sich problematisch, da er im Prinzip an jeder Stelle einzusetzen ist. Ursache ist vor allem darin die Problematik der Skalierung des Begriffes des „Elementes". Es kann vom Grundbestandteil oder Grundstoff über das Bauteil bis zur Funktionseinheit reichen. An dieser Stelle wird der Begriff des Systems als die Umfassung der betrachteten Fahrweggrenzen definiert.
Die Eisenanbahnsicherungsanlagen bestehen heute primär aus Stellwerken mit ihrer Innenanlage und mit ihren Funktionseinheiten im Gleisbereich in der Aussenanlage . Die Stellwerke erfüllen die Anforderungen für die sichere
Fahrwegsteuerung von Bahnfahrzeugen mittels Steuerung und Überwachung von Weichenantrieben und mittels der entsprechende Fahrzeugsteuerung durch Signale, Zugbeeinflussungskomponenten, wie ETCS-Komponenten (Balisen und Loopkabel), Gleisfreimeldeeinrichtungen (Achszähler und Gleichstromkreise) .
Die Stellwerke selbst verfügen über Blockverbindungen, um die gemeinsamen Schnittstellen an den Überwachungsgrenzen in den Netzstrecken sicherheitsrelevant zu verwalten.
Die Ansteuerung der Funktionseinheiten im Gleisbereich erfolgt einerseits mittels zentralen Ansteuereinheiten (Stellteilen) , welche in den Stellwerkräumlichkeiten untergebracht sind. Andererseits erfolgt die Ansteuerung umfangmässig teilweise bis vollständig mit dezentralen Stellteilen, welche in der Nähe der Funktionseinheiten in der Aussenanlage angeordnet sind und die in der Regel über aus den Stellwerk kommende Stellwerkkabel mit Energie und Daten versorgt werden.
Die räumliche Anordnung der Stellwerke erfolgt heute in der Regel im Bereich der Bahnhöfe. Grund für diese Lokalisation sind die Konzentration der Funktionseinheiten in der Aussenanlage im Bahnhofbereich sowie auch die erforderliche Ansteuerung der beiden abgehenden Seiten des Streckennetzes mit ihren Abschnitten und ihren sicherungstechnischen
Funktionseinheiten. Generell gesehen handelt es sich dabei um die klassische Anordnung der Bahnsicherungstechnik mit ihren Stellwerk-Anlagen.
Teilweise werden dabei, wenn die Distanz für die erforderliche sichere Datenverbindung nicht zu gross ist, anstelle eines weiteren Stellwerkes auch abgesetzte Subeinheiten (Teilstellwerke) in benachbarten meist kleineren Bahnhöfen oder in Bereichen mit umfangreichen Gleisanlagen eingesetzt. Diese Sicherungsanlagen reihen sich mit den von ihnen ausschliesslich sicherheitstechnisch angesteuerten Fahrwegabschnitten nahtlos entlang der Strecke aneinander.
In aller Regel ist jede Anlage explizit auf die Sicherungsaufgaben für den zuständigen Abschnitt des
Schienennetzes (Fahrwegabschnitt) projektiert. Das bedeutet, dass meist jedes Stellwerk nicht baugleich zu einem weiteren Stellwerk im Streckennetz ausgeführt ist. Diese Unterschiedlichkeit ist dann vielleicht nicht gegeben, wenn ganz einfache Einspurstrecken mit einer Ausweichstelle in jeder Station und mit gleichen Abständen zwischen den Stationen vorhanden sind. Diese Konstellation dürfte es jedoch in europäischen Eisenbahnnetzen kaum geben.
Bei all diesen Festlegungen ist zu beachten, dass die limitierten Stelldistanzen zwischen Stellwerk und Funktionseinheiten in der Aussenanlage am Gleis mit der heutigen Verwendung von zentralen Stellteilen eine unüberwindbare und die Projektierungsfreiheitsgrade stark einschränkende Begrenzung darstellen. Die hohen Sicherheitsanforderungen (meist SIL4) und die Beeinflussung durch Traktionsströme und durch Wettereinflüsse, wie
Blitzschläge, durch Eigenschaften der Verbindungsleitungen (Aderwiderstand bei der Übertragung von Energie z.B. für den Weichenantrieb - Telegraphengleichungen) begrenzen die mögliche Stelldistanz zwischen Stellwerk und Funktionseinheit am Gleis auf eine heutige in Fachkreisen etablierte Maximaldistanz von etwa 6,5 km. Eine Verwendung von dezentralen Stellteilen kann dabei diese Maximaldistanz erhöhen.
Wenige Techniken sind heute bekannt, mit denen Distanzen bis 10 km und mehr, teilweise selbst bei Inkaufnahme von erheblichen Einschränkungen, überbrückt werden können. Eine massgebende Grosse für diese Limiten sind die Störeinflüsse und die verbrauchte Leistung am Stellteil bzw. an der Funktionseinheit (Spannungsabfälle) .
Neue Betriebsverfahren lassen erkennen, dass sich die Grenzen bei den Zuständigkeiten zu entsprechenden Streckenabschnitten immer mehr verwischen. Die nachfolgenden Beispiele zeigen diesen Sachverhalt:
• Durch das Einführen der Fahrstrassenkopplung entfallen die Blocksteuerungen als Grenze zwischen
BahnhofStationen
• Durch den Bau von Hochgeschwindigkeitsstrecken und neu zusätzlich durch den Einsatz von RBCs für den Betrieb des Zugsicherungsverfahrens ab ETCS Level 2 und höher findet eine Abnahme der Konzentration von Funktionseinheiten entlang der Strecke sowie tendenziell eine Verlagerung der bestimmungsgemässen Funktion derselben statt.
• Funktionszuordnungen im Bahnsicherungsprozess erfolgen heute immer mehr nach dem Prinzip der Aufwandminimierung bei den Systemen und soll beispielsweise unter der Verwendung einfacher Plattformen erfolgen. So besteht die Möglichkeit, dass Funktionen und allenfalls Ansteuerungen von einem Stellwerk oder alternativ in einer anderen Anlage vom zugehörigen RBC erfolgen. Dies verringert einerseits die Aufwendungen in der Projektierung und in der Innenanlage, anderseits entsteht ein Mehraufwand in der Realisierung von Kreuzverbindungen .
Des weitern werden den Bahnbetrieb störende Naturereignisse bedingt durch den Klimawandel zunehmend aktueller. Es bestehen heute Risiken für die Betriebsbereitschaft durch die Einwirkung von Naturereignissen, wie Überschwemmungen, Erdrutsche und Erdbeben, aber auch Brände und eine terroristisch oder nicht-terroristisch motivierte Sabotage dürfen nicht vernachlässigt werden.
Wird ein Stellwerk und oder ein RBC dabei zerstört, so ist es meist nicht möglich, aus logistischen und
Infrastrukturgründen eine solche Anlage, wie ein Stellwerk oder ein RBC kurzfristig wieder aufzubauen. Es bestehen keine Möglichkeiten, die Systeme vorübergehend auch anderorts mittels behelfsmässiger Mittel zu stellen respektive zu erstellen und zu betreiben. Die Kabelköpfe der
Anschlussleitungen sind Immobilien und damit unverrückbar.
Der datenmässige Zugriff erfolgt heute in den Konzentrationspunkten in der Ausdehnung auf ein bis mehrere Gebäude verteilt über ein LAN. Für die Verbindung zwischen Fernsteuerzentren und Leitstellen sind entsprechende Netzwerkverbindungen erforderlich. Die datenmässige Anbindung von Funktionseinheiten in der Aussenanlage erfolgt entsprechend der Distanz, den Störeinflüssen, dem Datendurchsatz wie dem erforderlichen Sicherheitslevel mit der passenden Technik. Beispiel: dezentrales Stellteil MSTT mit Anschluss am Stellwerk mittels ISDN und CU-Leitern in Stellwerkkabeln.
Die Speisung der Anlagen, wie Stellwerke und RBC, aus dem öffentlichen Netz im Verbund mit dem Bahnnetz als zweite Quelle und nachgeschaltet der Einsatz einer USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung) sind heute Stand der Technik und haben sich bewährt. Schwieriger ist es mit der Versorgung der Funktionseinheiten im Gleisbereich. Entlang des Gleises besteht keine allgemein gültige Speisestruktur mit Ausnahme des Fahrdrahtes bei elektrifizierten Bahnen. Somit hat sich die verwendete Technik diesem Sachverhalt angepasst. Die Speisung der Aussenanlagen-Einheiten erfolgt damit meist individuell, für jede Funktionseinheit in der Aussenanlage ist sie damit genau zugeschnitten.
Zusammenfassend heisst das: Funktionseinheiten am Gleis, angesteuert von zentralen Stellteilen, bilden zusammen genommen und miteinander meist über Stellwerkkabel verbunden ein Ganzes. Die effektive Speisung geschieht im Stellwerk, über die Kabel zu den Funktionseinheiten laufen die zugehörigen zur Bildung der Funktion erforderlichen Stromkreise.
Erwünscht wäre jedoch eine solche generelle Speisung entlang des Streckennetzes.
Bei dezentralen Stellteilen ist aber heute die Zuführung der Versorgung über das Stellwerkkabel erforderlich. Dabei ist die Quellimpedanz der Speisung am dezentralen Stellteil die Limite. Werden vermehrt bis generell heute zentral im Stellwerk vorhandene Funktionen an den Ort ihrer Wirkung in der Gleisanlage untergebracht, so zeigt sich die durchgehende Speisung (über einen Speisungsbus) als vorteilhaft.
Da die Verfügbarkeit jedoch gross sein muss, ist eine entsprechende Architektur, sowie eine Überwachung mit Diagnostik und die Auslösung von Massnahmen im Fehlerfall unverzichtbar. Der dafür erforderliche Datenaustausch ist jedoch nicht auf diesem Netz (bzw. auf den gleichen Leitungen) möglich.
Als Alternative zur Speisung aus dem Netz ist eine Speisung vom Fahrdraht ebenfalls möglich. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Dichte der zu versorgenden Funktionseinheiten entlang der Strecke sehr gering ist und es sich um abgelegene Gebiete ohne eine Basisinfrastruktur für
Energieversorgung handelt. Eine geeignete Substruktur für die Versorgung von mehreren nahe beieinander liegenden Einheiten ist dabei zweckmässig.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die es ermöglichen:
a) in einem Bahnsystem für jede erforderliche Systemeinheit beliebiger Granularität (siehe als Beispiele möglicher Systemeinheiten dazu in Tabelle 1) eine optimale Position entlang des Schienennetzes nach beliebig definierbaren zweckmässigen Kriterien bestimmen und diese dort betreiben zu können, was derzeit nach dem Stand der Technik nicht möglich;
b) mehreren Anlagen, wie verteilte Stellwerke, in einer einzigen Anlage zusammenfassen zu können, welche summarisch alle Aufgaben wahrnimmt;
c) für Anlagen mit hohen Anforderungen z.B. an die Verfügbarkeit je eine einzelne und/oder summarische Redundanz im Bereich des Netzwerkes ausführen zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und xy gelöst. Mit dem Einsatz des erfindungsgemässen und nachstehend weiter erläuterten Verfahrens sind die für den Betrieb ermittelten geografischen Positionen der Systemeinheiten in den Bahnanlagen vollumfänglich umsetzbar ohne die nachteiligen Einflüsse durch Grenzwerte der übergeordneten Strukturen.
Datenkommunikation unter den Systemeinheiten
Um die Systemeinheiten kommunikationsmässig miteinander optimal zu verbinden, wird ein Datennetzwerk verwendet. Das Netzwerk erfüllt die Anforderungen bzgl. Realtime, die Sicherheit der Kommunikation wird über Verfahren nach EN 50159-1 für geschlossene Systeme abgedeckt, die Verfügbarkeit wird durch redundante Auslegung des Datennetzwerkes gewährleistet.
Für Systemeinheiten beliebiger zweckmässiger Granularität wird der Zugriff auf einen Datenbus an frei wählbarer Stelle im System sichergestellt. Alle dafür definierten Systemeinheiten sind an das Datennetzwerk angeschlossen. Das Datennetzwerk kann auch für weitere Anlagendienste benutzt werden. Die Access-Points auf das Datennetzwerk stellen an beliebiger Stelle eine Reihe standardisierter Schnittstellen unterschiedlicher Technik und Leistung zur Verfügung.
Ansätze und verwendete Techniken bezüglich Verfahren und physikalischer Ausprägung:
Option 1 Beispielhaft für ein solches Netzwerk ist das Produkt OTN (Optical Transport Network) von Siemens und weitere.
Option 2
Verwenden des Fahrdrahtes als Kommunikationsleitung. Dabei ist bei getrennter Führung auf Zweispurstrecken eine redundante Ausführung der Stränge möglich. Option 3
Die Verwendung eines drahtlosen Netzes auf den etablierten
Techniken, wie z.B. WLAN etc.
Grundsätzlich ist hier auch eine beliebige Kombination der vorstehend genannen Optionen möglich.
Die Kommunikation zwischen den am Netzwerk angeschlossenen Einheiten vom Stellwerk bis zum Sensor/Aktor/Stellteil erfolgt nun über das Datennetzwerk. Diese vorstehende
Ausführung schliesst weitere lokale begrenzte Punkt-zu-Punkt- und Multipunkt-Datenverbindungen auch ausserhalb des primären Daten-Netzwerkes soweit sie für die Aufgabe geeignet sind, nicht generell aus. Dabei sind auch Wireless-Lösungen möglich.
Um die Systemeinheiten im Bereich der Speisungszuführung optimal zu versorgen, wird ein Speisenetzwerk verwendet. Es bestehen beispielsweise eine erste Variante unter Auskopplung der benötigten elektrischen Leistung aus der
Traktionsspannung und eine zweite Variante mit einem Niederspannungsnetz mit 3P+N+PE. Die nachfolgenden Ausführungen sind entsprechend identisch.
Die Energieversorgung mit Netz erfolgt in einer geeigneten
Topologie, wie zum Beispiel einem Ring, wie es auch das oben beispielhaft angeführte OTN für die Daten verwendet. Im Energienetz werden Knoten verwendet, in welchen die Überwachung und die Umschaltungen für die Sicherstellung der Versorgung vorgenommen werden.
Diese Knoten werden über das Datennetzwerk bzgl. Verfügbarkeit überwacht und bei Auftreten von Störungen und Ausfällen gesteuert. Diese obige Festlegung schliesst weitere lokale begrenzte Speisekonzepte Punkt-zu-Punkt und
Multipunkt, soweit sie für die Aufgabe geeignet sind, für einzelne Funktionseinheiten nicht generell aus. Die nun vorgelegte erfindungsgemässe Lösung hat die folgenden Vorteile: flexible Zuordnung und Aufteilung der am Datennetzwerk; angeschlossenen Funktionseinheiten an die übergeordneten
Systeme, welche sich an beliebiger Stelle im Datennetz befinden können; die Inbetriebsetzung, der Service und der Unterhalt der
Funktionseinheiten am Schienennetz vereinfacht sich. Die Funktionseinheiten am Netz sind so ausgelegt, dass diese autonom in Betrieb genommen und gewartet werden können;
Stelldistanzen vom Stellwerk zu den Funktionseinheiten sind nur noch durch eine zweckmässige Länge des
Datennetzes beschränkt (100 km und mehr); - eine Kopplung zu anschliessenden (angrenzenden) Netzwerken kann bei Bedarf problemlos realisiert werden; der Aufwand für die Verkabelung der am Schienennetz befindlichen Funktionseinheiten verringert sich beträchtlich; - die Lösung begünstigt das betreiberseitig beabsichtigte
Zusammenfassen von Stellwerken, z.B. bei Nebenlinien oder aber auch bei höheren ETCS-Leveln, z.B. bei ETCS Level 2.
Für ETCS Level 2 verbleiben im Rahmen dieser Betrachtungen als relevante Funktionseinheiten am Gleis nur noch die Gleisfreimeldung und die Weichensteuerung; über dasselbe Datennetz (in anderen Kanälen) lassen sich auch andere Dienste, wie z.B. Kommunikation zur
Leittechnik, realisieren; im Störungsfall und bei der Behebung derselben bleiben die Störungsauswirkungen auf die betroffene Funktionseinheit beschränkt .
Es besteht ein Systemspeisebus entlang einer Strecke, auf der Fahrzeuge verkehren. Der Speisebus ist geeignet, eine Vielzahl von Funktionseinheiten zuverlässig zu versorgen. Das Limit der Aufnahmeleistung einer Funktionseinheit liegt kurzzeitig bei einigen kVA. Die Länge solcher Speisebusse ist zu begrenzen, damit Ausfälle sich nicht auf die erforderliche Zuverlässigkeit auswirken können. Eine Verlängerung kann mittels eines weiteren Systemspeisebusses, welcher nicht auf der gleichen Basis mit Energie versorgt wird, erzielt werden.
Die Fahrleitung kann als Speisebus dienen. Die Fahrleitung ist differenziert ausgeführt, je nachdem als Einspurstrecke, Doppelspurstrecke, Vielfachspuren (Bahnhöfe) . Ebenfalls können für den Speisebus direkt die Leitungen der Traktionsspeisezuführungen genutzt werden. Die Speisung kann über ein Kabel mit 3L+N+PE (Systemspeisebus) erfolgen. Der Systemspeisebus wird, wo notwendig, redundant ausgeführt. Die Einspeisung kann unter der nachfolgenden Randbedingungen erfolgen: a) entsprechend einer zweckmässigen Segmentierung des Systemspeisebusses; b) Die Segmentierung redundanter Speisebusse ist geografisch versetzt gegeneinander vorgesehen, sodass redundante Strukturen erzeugt werden können.
Es kann in Streckenbereichen mit nahe beieinander liegenden Systemfunktionseinheiten ein Speisesubsystem gebaut werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend - auch anhand der Zeichnungen - näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung die Systemarchitektur eines Stellwerks;
Figur 2 in schematischer Darstellung den Aufbau eines abgesetzten Weichenstellteils;
Figur 3 in schematischer Darstellung den Aufbau und Anbindung eines Achszählsystems; Figur 4 in schematischer Darstellung den Aufbau eines OTN- Netzwerkes;
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Lösungskonzept für die Ausführung von Eisenbahnsicherungsanlagen auf, welche es erlauben, die beispielsweise in einem Tunnel eingesetzte Infrastruktur auf ein Minimum zu reduzieren und damit den Aufwand für die Installation und Wartung der Anlagen zu minimieren. Die Lösung „stellwerksfreier Tunnel" beruht im Wesentlichen auf den folgenden Neuerungen:
• Einführen eines dezentralen Weichenstellsystems mit digitaler Kommunikationsverbindung zum Stellwerk.
• Einführen eines Achszählsystems mit digitaler Kommunikationsverbindung zwischen dezentralem Achszählpunkt und Achszählrechner.
• Einführen eines Datenübertragungsnetzwerks, insbesondere auf der Basis von OTN (Open Transport Network) mit Lichtwellenleitern, als Übertragungsmedium. Das Netzwerk ermöglicht es, über Netzwerkknoten die abgesetzten Komponenten, wie Weichenstellsysteme und Achszählpunkte, transparent an die Stellwerkrechner bzw. Achszählrechner anzubinden. Diese Transparenz ermöglicht eine verfahrensgesicherte Übertragung zwischen den Komponenten des Stellwerks. Es wäre möglich, dieses Netzwerk auch für beliebige weitere Stellwerkdienste einzusetzen. Dabei wird beachtet, dass die Anforderungen an ein geschlossenes System gemäss EN 50159-1 eingehalten werden.
Diese System hat die folgenden Vorteile: • Innovative und kostengünstige Lösung, basierend auf dem zukünftigen für die Sicherungsanlagen verfügbaren Produktportfolio;
• Tiefere Lebenszykluskosten;
• Wegfall der Container mit den Stellwerks- und Achszählrechnern inkl. der zugehörigen Klimaanlagen in der Multifunktionsstellen im Tunnel (für den Alptransit Gotthard -ATG- beispielsweise der Wegfall in Multifunktionsstelle Sedrun (Ost- und Weströhre) ;
• Wegfall der Stellwerks- und Achszählrechner in der Nothaltstelle Faido (ATG, Ost- und Weströhre) .
• Wegfall der redundanten Achszählpunkte bei Realisierung einer fehlertoleranten Achszählung.
• Verringerung des Anteils der Kupfer-Verkabelung zwischen den Achszählpunkten und den Achszählrechnern in Abhängigkeit von der Kommunikationstopologie .
• Die reduzierte Komplexität der im Tunnel installierten Komponenten vereinfacht die Instandhaltung und Wartung.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Systemarchitektur eines Stellwerks beispielhaft für einen Bereich eines langen Tunnels. Die genaue Anzahl und Aufteilung der Netzwerknoten NWN und damit einhergehend die OTN-Topologie sind dann speziell in der Projektierungsphase zu optimieren.
Das dezentrale Weichenstellteil übernimmt die Steuerung und Überwachung der Weichen direkt vor Ort und verfügt über die folgenden Eigenschaften:
• Autonome Abwicklung sämtlicher Vorgänge für die Steuerung und Überwachung der Weiche.
• Besondere Eignung bei Weichen mit mehreren Antrieben für die Weichenzungen und beweglichen Herzstücke wie z.B. Schnellfahrweichen (Minimierung der Verkabelung) .
• Aufbereitung umfangreicher Diagnosedaten (auch präventiver) und deren Übermittlung an das Stellwerk.
• Umfangreiche Bedienungsmöglichkeiten des Weichensystems vor Ort für Inbetriebsetzung und Service mittels eines robusten Handheldgeräts . • Endlagenkontakte werden vom Stellteil direkt eingelesen und die Motoren direkt angesteuert.
Die Nahtstellen des Stellteils zum Stellwerk sind:
• Kommunikation: Über zwei Adern z.B. im Sternvierer- Stellwerkkabel. Direkte Ankopplung im Stellwerk an die UCOM-Baugruppe (max. 4 ISDN-Verbindungen pro Baugruppe) oder bei grosseren Distanzen via OTN. • Speisung Stellteil und Antriebsmotoren: 400V^Q vor Ort.
• Kommunikationsdistanz vom Stellwerk bis Stellteil: Bis zu 10 km, kann über das Netzwerk OTN auf über 100 km verlängert werden.
• Distanz vom Stellteil zur Weiche: max. 300m. Um erhöhten Verfügbarkeitsanforderungen, wie z.B. in Tunnels zu genügen, kann das Stellteil auch redundant aufgebaut werden.
Die Figur 2 zeigt den Systemaufbau (Konfiguration hier ohne redundantes Stellteil) für das abgesetzte Weichenstellteil .
Das Weichenstellteil kann auch zur Steuerung der Verriegelung der Spurwechseltore eingesetzt werden.
Die Lösung „Achszählung mit Zählpunktübertragung über grosse Distanzen" beinhaltet als zentrales Element einen digitalen Zählpunkt (ZP D) mit einem sicheren Rechnerkern. Dieser meldet die erfassten Achsimpulse als Achszahl via Kommunikationsschnittstelle (ISDN) an die UCOM-Baugruppe. Die UCOM-Baugruppe übermittelt ihrerseits die gemessenen Achszahlen weiter an den Achszählrechner (AZR) . Der AZR übernimmt die von den verschiedenen UCOM-Baugruppen erhaltenen Achszahlen und ermittelt daraus die aktuellen Abschnittszustände. Diese gibt er über den Interlocking-Bus (IL-Bus) der Area Control Component (ACC) vom elektronischen Stellwerk weiter. Die Nahtstellen dieses digitalen Zählpunkts mit den Umsystemen sind:
• Kommunikation: Über zwei Adern z.B. im Sternvierer- Stellwerkkabel, Ankopplung im Stellwerk an die UCOM- Baugruppe des Achszählrechners (max. 4 Verbindungen pro Baugruppe) oder über einen Knoten vom OTN direkt an den Ethernet-Bus des AZ-Rechners.
• Speisung Zählpunkt: 230V^Q über zwei weitere Adern z.B. vom gleichen Sternvierer vor Ort. • Kommunikationsdistanz vom Achszählrechner bis zum
Zählpunkt: bis zu 10 km, diese kann über das Netzwerk OTN bis über 100 km verlängert werden.
• Distanz vom Sensor bis zum Zählpunkt: Max. 12 m.
Als Erweiterung des Achszählsystems ist die Funktionalität „Fehlerkorrektur" zusätzlich implementiert. Um eventuelle Störungen oder Ausfälle im Bereich des Zählpunktes zu korrigieren, wird im Achszählrechner eine Fehlerkorrektur- Software für die nachfolgend aufgeführten zwei Störungskategorien bereitgestellt:
a) Fehlerkorrektur bei Zählpunktstörung
Wenn ein Zählpunkt zwei Gleisfreimeldeabschnitte trennt, wird das System Fehlzählungen an dem digitalen Zählpunkt ZP D selbständig korrigieren, sobald sich kein Zug mehr in den beiden von dem digitalen Zählpunkt ZP D getrennten
Gleisfreimelde (GFM) -Abschnitten befindet. Diese Korrektur kann für jeden Zählpunkt/ Abschnitt einzeln projektiert werden. Die beiden beteiligten Abschnitte werden entsprechend der Fahrrichtung sequenziell freigemeldet. Die automatische Korrektur der Fehlzählung wird ausserdem als Fehlermeldung an das Diagnosesystem im Stellwerk gemeldet.
b) Fehlerkorrektur bei Zählpunktausfall
Wenn ein Zählpunkt zwei Gleisfreimeldeabschnitte trennt, wird das System bei einem erkannten Ausfall der betroffene Zählpunkt ignoriert und die beiden Gleisfreimeldeabschnitte zu einem Abschnitt fusioniert. Bei aktiver Fehlerkorrektur werden die beiden beteiligten Abschnitte entsprechend der Fahrrichtung sequenziell belegt- und freigemeldet. Das Ansprechen der automatischen Fehlerkorrektur wird als
Fehlermeldung an das Diagnosesystem im Stellwerk gesendet. Diese Korrektur kann für jeden Zählpunkt einzeln projektiert werden.
Sollte es sich in der Praxis zeigen, dass für die
Weichenbereiche eine redundante Zählpunkt-Anordnung erforderlich ist, kann eine entsprechende Konfigurationsmöglichkeit (redundant/ fehlertolerant) ebenfalls vorgesehen werden.
Um den erhöhten Verfügbarkeitsanforderungen von langen Tunnelstrecken zu genügen, wird der Achszähl-Rechner (AZR) als 2 von 3-System aufgebaut. Bei Einsatz der vorstehend beschriebenen Fehlerkorrektur kann zudem möglicherweise auf eine redundante Anordnung der
Zählpunkte verzichtet werden. Mit einer solchen Konfiguration wird die Anzahl Komponenten nahezu halbiert, was sich positiv auf die Störungen und Ausfälle des Achszählsystems sowie den damit verbundenen Einsätzen zur Störungsbehebung auswirkt. Die Figur 3 zeigt den prinzipiellen Systemaufbau des Achszählsystems :
Open Transport Network (OTN)
Das OTN ist ein Übertragungsystem auf Basis der neuesten Lichtwellenleitertechnologie. Es verfügt vorliegend über die folgenden Eigenschaften:
• sehr hohe Verfügbarkeit des OTN durch redundante Auslegung des Übertragungssystems (doppelter LWL-Ring und auch Redundanz in den Netzwerkknoten) • Verwendung des LWL-Systems bietet galvanische Entkopplung der Netzwerkknoten • geringes Gewicht
• geringe Grösse
• sehr hohe Übertragungssicherheit
• transparente Datenübertragung • sehr hohe Bandbreitenperformance (mehrere 100 Mbit)
• sehr hohe Übertragungsdistanzen (über 100 km)
• wartungsfrei
Die Figur 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines OTN-Systems
RAMS-Betrachtung (RAMS = Reliability, Availability, Maintainability and Safety)
RAM Dezentrales Weichenstellteil
Die Möglichkeit zur redundanten Ausführung der dezentralen Weichenstellteile wirkt sich sehr positiv auf die Zuverlässigkeit bzw. Verfügbarkeit der gesamten Stellwerksanlage aus. Die Häufigkeit der Störungsklasse 4 bzw. 3 kann - aufgrund der durchgängigen Redundanz - beträchtlich reduziert werden.
Achszählung mit digitaler Achszahl-Übertragung Die erfindungsgemässe Ausgestaltung bietet hinsichtlich des Achszählsystems dieselben RAM-Kenngrössen wie die eines herkömmlichen am Stellwerk tradionell angeschlossenen Systems .
Achszählsystem mit Fehlerkorrektur Das Konzept der Achszählung mit integrierter Fehlerkorrektur erbringt bei deutlich weniger (verbauter) Hardware dieselbe Zuverlässigkeit wie das konventionelle Achszählsystem in redundanter Anordnung. Gleichzeitig wird der Aufwand für die Wartung bzw. Reparatur nahezu halbiert. OTN
Durch den redundanten Aufbau der Kommunikationsstrecken beeinflusst der Einsatz des OTN die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems „Stellwerk" nicht negativ. Durch den damit verbundenen Wegfall der abgesetzten Stellwerksrechner im
Tunnel resultieren Vorteile im Bereich der Wartbarkeit, was wiederum die Verfügbarbeit des gesamten Stellwerks erhöht.
Thema Sicherheit Die bahntechnische Sicherheit der skizzierten Architektur ist in allen Fallen gewährleistet. Das dezentrale Weichenstellteil unterliegt der derzeit geltenden Sicherheitsphilosophie. Das neue Achszählsystem verwendet den weit verbreiteten ECC-Rechner und wird in der bewährten 2 von 3-Konfiguration konfiguriert und betrieben. Die
Sicherheit der Kommunikation auf den Verbindungsstrecken wird mit Hilfe bewährter Verfahren sichergestellt. So müssen die Übertragungsmedien keine Sicherheitsverantwortung wahrnehmen.

Claims

Patentansprücha
1. System zur Steuerung und/oder Überwachung von schienengebundenen Fahrzeugen, umfassend: a) mindestens ein Stellwerk, umfassend einen Stellwerkrechner; b) mindestens eine entlang eines Fahrwegs im Gleisbereich angeordnete Komponente zur Zugsicherung, insbesondere ein Signal, eine .Balise, ein Loop-Kabel, ein Leckkabel, ein AchsZähler; c) mindestens eine entlang des Fahrwegs im Gleisbereich angeordnete Komponente zur Fahrwegeinstellung, insbesondere eine einen Weichenantrieb umfassende Weiche, d) mindestens ein dezentrales Stellteil zur Einstellung der Komponenten zur Zugsicherung und/oder der Komponenten zur
Fahrwegeinstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten zur Zugsicherung und die Komponenten zur
Fahrwegeinstellung über das ihnen zugeordnete dezentrale. Stellteil über einen Datenbus an dem Stellwerkrechner ankoppeln und sicherheitsrelevante Informationen nach einem vorgegebenen Protokoll an den Stellwerkrechner übermittelbar sind oder von diesem erhaltbar sind, wobei für die elektrische Speisung zumindest eines Teil dieser Komponenten ein Speisebus vorgesehen ist, der. logisch vom Stellwerkrechner entkoppelt ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus und/oder der Speisebus redundant aufgebaut ist bzw. sind.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Aufbau eine Segmentierung entlang eines
Fahrweges vorsieht, wobei die einzelnen Segmente vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet sind.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine dezentrale Stellteil redundant aufgebaut ist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus als OTN-Netzwerk, vorzugsweise in LWL-Technik, ausgestaltet ist.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5", dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisung des Speisebusses aus einer Fahrleitung und/oder einer Zuführung zur Fahrleitung vorgesehen ist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Achszählpunktes ein nächst grosserer Fahrwegabschnitt gebildet wird, der wieder über eine notwendige Zählsicherheit verfügt.
8. Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung von schienengebundenen Fahrzeugen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen mindestens eines Stellwerks, welches mindetens einen Stellwerkrechner umfasst; b) Bereitstellen mindestens einer entlang eines Fahrwegs im Gleisbereich angeordneten Komponente zur Zugsicherung, insbesondere ein Signal, eine Balise, ein Loop-Kabel, ein Leckkabel, ein Achszähler; c) Bereitstellen mindestens einer entlang des Fahrwegs im Gleisbereich angeordneten Komponente zur Fahrwegeinstellung, insbesondere eine mindestens einen Weichenantrieb umfassende Weiche, d) Bereitstellen mindestens eines dezentralen Stellteils zur Einstellung der Komponenten zur Zugsicherung und/oder der Komponenten zur Fahrwegeinstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten zur Zugsicherung und die Komponenten zur Fahrwegeinstellung über das ihnen jeweils zugeordnete dezentrale Stellteil über einen Datenbus an dem
Stellwerkrechner angekoppelt sind und sicherheitsrelevante Informationen nach einem vorgegebenen Protokoll an den Stellwerkrechner übermittelt werden oder von diesem erhalten werden, wobei für die elektrische Speisung zumindest eines Teil dieser Komponenten ein Speisebus vorgesehen ist, der logisch vom Stellwerkrechner entkoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, . dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus und/oder der Speisebus redundant aufgebaut ist bzw. sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Aufbau eine Segmentierung entlang eines
Fahrweges vorsieht, wobei die einzelnen Segmente vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine dezentrale Stellteil redundant aufgebaut ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus als . OTN-Netzwerk, vorzugsweise in LWL-Technik, ausgestaltet ist.
13. System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, . dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisung des Speisebusses aus einer Fahrleitung und/oder einer Zuführung zur Fahrleitung vorgesehen ist.
14. System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Achszählpunktes ein nächst grosserer Fahrwegabschnitt gebildet wird, der wieder über eine notwendige Zählsicherheit verfügt.
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