EP3275764A1 - Zugleitsystem - Google Patents

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EP3275764A1
EP3275764A1 EP16181698.8A EP16181698A EP3275764A1 EP 3275764 A1 EP3275764 A1 EP 3275764A1 EP 16181698 A EP16181698 A EP 16181698A EP 3275764 A1 EP3275764 A1 EP 3275764A1
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EP
European Patent Office
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rail
control device
visual sensors
train
central control
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EP16181698.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3275764B1 (de
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Max Räz
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Individual
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Publication of EP3275764A1 publication Critical patent/EP3275764A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L23/00—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains
    • B61L23/04—Control, warning or like safety means along the route or between vehicles or trains for monitoring the mechanical state of the route
    • B61L23/041—Obstacle detection
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a train guidance system for monitoring at least one sub-rail network of a rail network and of rail-bound vehicles on this at least one sub-rail network and for monitoring and controlling at least two switchable track elements, in particular points, of the sub-rail network.
  • the train control system comprises at least two fixed visual sensors for detecting sensor data of the sub-rail network and at least one fixed central control device.
  • the central control device is in data communication with the fixed visual sensors and the central control device is in data communication with the two route elements, the central control device being designed to receive the sensor data from the stationary visual sensors and to process the sensor data.
  • train control systems for monitoring a rail network and for monitoring and controlling trains and rail vehicles are known. Not only do the train control systems have to provide security, they also serve to improve the punctuality of the trains and to provide information about train traffic on the monitored rail network to train staff and passengers.
  • Train control systems typically include a variety of remote interlocking systems for monitoring and controlling turnouts and signals at stations and on the line. Sensors count the axles of the trains and train detection systems monitor the current occupancy status of the tracks. The signal boxes also regulate follow-up and return journeys on the open track with the help of a block. The signal boxes detect whether a track section is clear or occupied, the points settings and the opening position of the barriers.
  • monitoring systems which comprise sensors arranged along the railway track in order, for example, to monitor a railroad crossing.
  • Such a monitoring system describes, for example, the WO 2011/162605 A2 (R. Bakker ).
  • the monitoring system includes ultrasonic or radar sensors disposed on a catenary of the track which detect whether a train is being monitored in the track Section in the area of the level crossing and at what speed the train moves.
  • the sensors also detect, for example, whether a car is on the railroad crossing. Recorded sensor data are forwarded to a control device.
  • the control device can dynamically control barriers based on the sensor signals and, if necessary, initiate emergency braking of the train.
  • Train control systems may also include on-track control equipment. Such train control devices continuously monitor the traveled route and can influence the train if an obstacle on the rail is detected.
  • the US 2016/0046308 A1 (Panasec Corp.) describes such a train control device.
  • a camera located at the Switzerland rotates the track and reports a train control device when an object is on the rail.
  • the track is monitored by sensors at the edge of the track and at points of turnout sensors. Events are reported wirelessly to the train control device of the train approaching.
  • the train control unit processes the obtained data, and when a condition outside a limit value is determined, for example, when a collision is likely, the train control apparatus sends instruction to the train. If the train crew is not responding properly or timely to a warning message, the train control device automatically reduces train speed or initiates emergency braking.
  • the train control device which is arranged on the train, can only influence the respective train.
  • the switches, barriers and the rest of the trains on the rail network are controlled by local interlockings. A comprehensive view of the entire rail network with multiple trains is therefore not possible.
  • Surveillance systems like that in the WO 2011/162605 A2 R. Bakker ) are limited to local sections such as level crossings. In addition, these systems can only control the train that is in the monitored section or approaching it.
  • the object of the invention is to provide a the technical field mentioned in the beginning Anlagenleitsystem which allows reliable monitoring of a rail network and reliable monitoring of track elements and rail vehicles on the rail network and also allows control of the rail vehicles and the track elements on this rail network ,
  • the train guidance system is designed such that, taking into account the sensor data of the stationary visual sensors processed in the central control device, the at least two route elements can be controlled in the at least one sub-rail network.
  • a train control system is understood as a system for monitoring, controlling, automating and optimizing the traffic of rail-bound vehicles on the rail network. It is irrelevant whether individual localized parts of the rail network, such as a marshalling yard or a Abstellgeleis are not covered by the train control system, as long as the mentioned sub-rail network forms a rail network with switches, can operate on the rail-bound vehicles.
  • "At least one sub-rail network” means a part of a rail network or the entire railway network. If it is only a "sub-rail network", this sub-rail network preferably comprises at least two stations or stops with a plurality of points and sections, so that a rail traffic between these at least two stations with rail-bound vehicles is possible.
  • visual sensors includes sensors that can detect electromagnetic waves, preferably electromagnetic wavelengths between 0.1 micrometers to 10 centimeters, as well as sensors, the sound waves, preferably ultrasonic waves with a frequency higher than 16 kHz.
  • visual sensors may include, for example, still cameras, video cameras, or other photodiode devices, as well as radar sensors and ultrasonic sensors.
  • the visual sensor is designed such that at least two spaced apart points, more preferably a plurality of points in space can be detected simultaneously.
  • stationary sensors sensors that are not located on a vehicle and that do not move substantially.
  • the stationary sensors are preferably permanently mounted in the area of the partial rail network. However, the term “stationary” does not exclude that a sensor may move a little or that the sensor may rotate or pivot to adjust the monitoring range of the sensor.
  • the stationary sensors are preferably a few meters above the Rail arranged. But they can also be next to the rail or below the rail.
  • the term “central” refers to the location of the control device in relation to the stationary sensors and track elements in the rail network and to the rolling stock of the rolling stock.
  • the control device is preferably arranged centrally at a point.
  • central does not exclude that the control device is distributed to a few points, for example in the context of a redundant design, as long as the data received from the control device arrive at a local point. It is irrelevant whether the incoming data is processed at a single local point or at several points, for example on several computers of the central control device.
  • two control devices can also be provided.
  • the term "in data connection” does not define a direction in which two elements can communicate with each other. For example, data from a link element to the central control device as well as data from the central control device can be transmitted to a link element.
  • sensor data is not limited to data that is based directly on a measurement method of the sensor. For example, the sensor data can include not only sensor readings but also sensor position information, time and date information.
  • Rail-bound vehicles are all vehicles that can operate on the rail network, such as trains with a locomotive and train cars, traction or shunting.
  • Track elements includes switchable elements needed for the operation of the rail network and rail vehicles.
  • Track elements preferably comprise movable elements used in the region of the rails, particularly preferably switchable points, switchable track barriers.
  • the train control system offers the advantage that the route is not only monitored from the moving train, but that the rail network is monitored by the stationary train visual sensors can be monitored.
  • the rail network, the track elements and the rail-bound vehicles are observable by means of stationary visual sensors.
  • a condition such as the state of a signal, a distance or a switch position is measured.
  • the sub-rail network, the track elements and the rail-bound vehicles can be observed so that precise information about the observed area is available.
  • These monitoring capabilities using the fixed visual sensors allow a precise detection of an event including the previous event that led to the event and possibly also an estimate of how the event will develop or impact in the future.
  • the entire sub-rail network is monitored with the sensors.
  • individual sections of the sub-rail network can be omitted.
  • the central control device can monitor the rail network in its entirety and the route elements can be controlled centrally and holistically, including all information about the route network.
  • the position of the rail-bound vehicles is always known to the central control facility.
  • an overall view can thus be made with the state of the rail network, the conditions of the route elements and the states and kinematic variables of the rail-bound vehicles.
  • This holistic monitoring by the central control facility makes it possible to detect and resolve conflict situations in real time.
  • train control systems which include sensors located on the rail vehicles and which have several remote interlockings not possible.
  • the train control system for data acquisition includes only the fixed visual sensors.
  • the central control device is independent of, and does not require any connection to, conventional elements such as interlockings, axle counters, track vacancies, local line centers, since the central control device receives the sensor data from the fixed visual sensors.
  • axle counters may be provided, in particular for checking the data received from the sensors.
  • the central control device knows, for example, the position and the speed of the rail-bound vehicles based on the sensor data of the fixed visual sensors.
  • the control device also includes timetables and route data. If the central control device knows such information, the control device can detect not only position and speed but also the destination of the rail-bound vehicle. As a result, the central control device can control the route elements so that the rail network can be operated particularly efficiently.
  • the central control device optimizes the train sequence and thereby enables better utilization of the rail network.
  • the control facility proposes to the control personnel an alternative track at a stop at the station or coordinates detours from rail vehicles in the event of unforeseen events.
  • the central control device controls the switches and the level crossings, waits for the departure receipt and accepts the departure receipt for each stop of a railbound vehicle in the rail network.
  • the central control device preferably makes proposals to the railway staff or informs the railway staff in case of special incidents.
  • the control device informs the railway personnel, for example, if there is no possibility to perform the journey of a rail-bound vehicle or if the arrival and departure times change.
  • the central controller asks the railway personnel for the priorities for the strategy in several ways.
  • the central control device can control the route elements in such a way that the corresponding rail-bound vehicle is braked in good time. This further increases the safety of the railway operations.
  • the topology of the rail network is known and is included in the monitoring of the rail network and the control of the track elements by the central control device.
  • the entire rail network to be monitored is traveled with a rail-bound vehicle to detect the topology of the rail network with sensors.
  • the stationary visual sensors detect position, speed and acceleration of the passing rail-bound vehicle.
  • the visual sensors send the recorded sensor data, which preferably includes time and location information, to the central controller. This can exactly capture the speed of the train based on the sensor data.
  • the visual sensors can also detect people who are in the area of the rail network, for example at a rail construction site. For example, persons may be provided with QR code, for example on the jacket, with which the train guidance system can also distinguish persons according to their function. This allows for comprehensive monitoring. That increases security. Since the visual sensors preferably monitor the route continuously, the rail-bound vehicle can also stop at unmanageable areas of the route without taking a security risk.
  • the data can serve as information, evidence and as a basis for evaluations.
  • the train control system can control the railway operation largely automatically. This enables efficient rail operation and allows railway staff to save. As a result, the costs for rail operations can be reduced.
  • control device also manages resources such as track, platform, evasion, parking with machine intelligence. This allows efficient management of these resources.
  • the central control device is redundant. This reduces the risk of complete failure of the central control device and enables reliable rail operation.
  • the central control device preferably comprises a graphic representation of the rail network with rail-bound vehicles.
  • the rail-bound vehicles can be clearly displayed on the rail network in real time.
  • the braking distance, the slip-through path, the authorized return route and all other information about the rail-bound vehicles can preferably be graphically displayed in real time.
  • all movements of the rail-bound vehicles, in particular individual cars are visible within a defined range.
  • the train control system comprises security elements, in particular railway barriers, and the fixed visual sensors are arranged such that the security elements can be monitored and controlled.
  • the position of the security elements for example the position of the railway barrier, can be monitored continuously and in real time.
  • it can be monitored in which state the security elements are located and whether they function correctly.
  • an alarm signal can be issued if a security element is not working correctly or is not functioning in time. This increases safety for the railway operations.
  • a railway barrier can be closed more timely to the passage of the train, which also road traffic liquid and thus can be kept more efficient.
  • the security elements not only include railway barriers and barriers, but contain all the elements necessary for safe rail operation, such as switchable barriers and switchable departure barriers for the rail-bound vehicles.
  • the visual sensors also monitor the surroundings in the area of the security elements. As a result, it can be detected by means of the visual sensors, for example, whether the level crossing is clear, whether an object is in front of or on the level crossing, or whether an object approaches the level crossing.
  • this arrangement of the visual sensors provides sensor data in real time from the area of the security element.
  • real-time images are available from the area of a railroad crossing in the central control facility.
  • the visual sensors do not detect any security elements.
  • the security elements can be captured in a different way.
  • the central control device is connected to the track-bound vehicles in the sub-rail network and the rail-bound vehicles can be monitored and controlled by the central control device.
  • the operation of the rail-bound vehicles can be centrally coordinated.
  • the central control device can send instructions and information to the rail vehicles.
  • Such information may include, for example, timetable changes, information about other rail vehicles, information about the state of the rail network, information about the number of rail passengers, safety information or the like. This can make the operation more efficient and safety is increased.
  • the train crew of the rail vehicle can react dynamically to events.
  • the central control device can continuously drive instructions such as entrance permits for stations, departure clearance, stop commands or speed specifications depending on the track conditions to the rail-bound Send vehicles. As a result, no signals are needed on the sub-rail network. This saves on maintenance and upkeep costs.
  • the central control device can preferably also influence the rail-bound vehicles directly, for example by reducing the speed or by causing emergency braking. This further increases the safety of the railway operations.
  • information from the rail-bound vehicle to the control device is preferably also transferable, in particular information about the state and the movement of the rail-bound vehicle.
  • the connection between the rail-bound vehicle and the control device enables a rapid and dynamic response to events. For example, if an obstacle on the track, the central control device can send a message to the rail-bound vehicle in good time or redirect the rail-bound vehicle in time by controlling a switch, so that the rail-bound vehicle does not drive into the danger area.
  • the driver is not only dependent on the visibility, which is often shorter than the train's braking distance. That increases security.
  • the central control device can control the rail-bound vehicles more precisely and safely than known decentralized interlockings that do not know such information of the rail-bound vehicles ,
  • the rail-bound vehicles are not controllable by the control device.
  • the rail operation is controlled by the central control device only via the track elements.
  • the central control device is designed such that more than 70% of the security and route elements, preferably more than 90% of the security and route elements of the rail network, are controllable with the central control device including the processed sensor data.
  • the rail-bound vehicles can be used particularly efficiently on the rail network become.
  • the rail vehicles can be operated in a denser sequence on a route. This increases the operating efficiency.
  • the safety of the operation can be further increased.
  • less than 70% of the security and track elements of the rail network may be controlled by the central control device, especially if in a sub-rail network, for example in a first leg, only the areas between stations are equipped with the visual sensors.
  • the stationary sensors are arranged and the number of visual sensors is selected so that the fixed visual sensors monitor more than 70% of the rail network, preferably more than 80% of the rail network, more preferably more than 95% of the rail network.
  • This allows a holistic view in the central control unit based on the sensor data. With comprehensive coverage, the rail network can be reliably monitored and events can be responded in a timely manner. This also increases safety for the railway operations.
  • the visual sensors can also monitor less than 70% of the rail network. The remaining portion of the rail network can then be monitored, for example, with known from the prior art sensors, axle counter or proximity sensors.
  • the stationary sensors are arranged such that objects in the area of the sub-rail network can be monitored.
  • a rail-bound vehicle passes a sensor, but also its integrity can be controlled.
  • it can be detected when a freight of a freight car is not properly secured.
  • it can be checked with the visual sensors, for example, continuously, if a train is still complete, that is, whether all train cars are still on the train.
  • Measures are taken. For example, animals running onto the rail can be recognized in good time. This also increases security.
  • the sensors may be arranged to only monitor the rail network.
  • the at least two stationary visual sensors comprise a radar sensor, a camera or both.
  • the radar sensor can be any sensor that is below 3000 GHz by means of radio waves and can detect and / or locate objects.
  • the camera can be any device that can capture images.
  • the camera may be a still camera that captures individual images, a motion picture camera that stores multiple consecutive images on a medium, or a video camera that captures images in the form of electrical signals.
  • the radar sensor has the advantage that even in bad weather and very poor visibility, such as in fog or snowfall or at night, objects can be reliably detected.
  • the advantage of the camera is that pictures of the track, of rail-bound vehicles on the track or of other objects in the area of the rails are always available.
  • sensor data from visual sensors provides more accurate information about a condition or event and a possible future evolution of events.
  • the visual sensors comprise at least one stereo camera with infrared illumination, at least one radar sensor and additionally at least one ultrasonic sensor.
  • This arrangement has the advantage that with the camera both images with a lot of information and with the radar sensor and the ultrasonic sensor in bad weather and poor visibility conditions objects can be reliably detected.
  • the visual sensors comprise only one radar sensor or only one camera.
  • the stationary visual sensors are preferably in data connection with the rail-bound vehicles.
  • the rail-bound vehicles can also directly receive information from the fixed visual sensors. This allows redundant information to be transmitted to the rail vehicle, which increases safety.
  • the train personnel of the rail-bound vehicle can dynamically request sensor information from the stationary sensors, which need not first be transmitted via the central control device. Thus, for example, for the train driver on a screen each in the direction of travel not visible area can be displayed on a screen.
  • the fixed visual sensors are in wireless communication with the rail vehicles. This allows easy installation and commissioning without cabling.
  • a data connection does not necessarily have to be wireless.
  • the stationary sensors are arranged such that the monitoring areas overlap.
  • the acquired data can be processed three-dimensionally, whereby in particular a location of an object or a person, as well as an exact direction of movement can be determined.
  • the overlap can also be dispensed with.
  • the three-dimensional detection of the detection range can also be achieved with stereo cameras or the like.
  • the stationary sensors are arranged such that at least one partial rail network can be monitored by the stationary visual sensors, preferably continuously in preferably two directions of travel of the rail-bound vehicle, and thereby in particular redundant sensor data with the stationary visual sensors of the sub-rail network are detectable.
  • the two directions of travel correspond to opposite directions. Due to the redundant detection, the sensor data can be checked for plausibility. That increases security.
  • the stationary visual sensors can also be arranged so that the sub-rail network can only be monitored in one direction.
  • the stationary visual sensors each comprise a preferably teachable computer program, with which events can be abstracted from the detected sensor data.
  • the computer program runs on a computer unit which is assigned to the specific visual sensor.
  • the event includes a safety-related condition, such as when an object is on the rail, a rail-bound vehicle is traveling too fast, or when a safety element is not functioning properly, such as when a railroad gate can not be completely closed.
  • the computer program makes it possible that a selection of the recorded sensor data can already be made at the sensor.
  • additional sensor data can be recorded for specific, abstracted events or the abstracted events can be further processed. This allows efficient and dynamic use of stationary sensors.
  • the visual sensors do not have a computer program with which events can be abstracted.
  • the data of the visual sensors can be processed and abstracted centrally in the control device.
  • the computer program of the stationary sensors is designed such that an event message can be sent to the central control device, provided that an abstracted event of the sensor data coincides with an event of a number of predetermined events.
  • a predetermined event may include, for example, compliance with a predetermined clearance gauge for the rail vehicle. That means, if For example, a branch or other object protrudes into the predefined clearance profile of the route and thereby hinder the rail-bound vehicle at the passage, recognizes the computer program and sends an event message to the central control device.
  • the information can be recorded with relatively low content that the passage is obstructed, or else the size and position of the object or an identification of the object, eg "car on tracks, coordinates X, Y, Z" etc. include.
  • the predetermined event may, for example, also include the exceeding of a maximum speed of the rail-bound vehicle or a specific state of a railroad crossing or a certain point position of a switch.
  • the comparison of an event with predetermined events allows to send only selected events to the central controller.
  • the data to be transmitted can be significantly reduced.
  • the data connection between the stationary sensors and the central control device is thus not unnecessarily burdened.
  • the amount of sensor data to be processed in the central control device can be greatly reduced. This allows a fast and reliable processing of the sensor data in the central control device.
  • the stationary sensors may also be designed so that all recorded events or all detected sensor data are sent to the central control device.
  • the central control device comprises a computer program for centrally processing the event messages of the fixed visual sensors.
  • the event messages can be processed centrally centrally.
  • the control staff of the central control unit only has to supervise the process and only has to deal with extraordinary situations.
  • the computer program can monitor and control the safety and track elements as well as possibly the rail-bound vehicles.
  • the computer program can run on a single computer of the control device or distributed to several belonging to the central control computer. In addition, it is irrelevant whether the computer program as a unit is configured or whether several individual programs form the computer program for the central processing of the event messages.
  • the computer program preferably analyzes the received event messages in order, for example, to classify the event messages and then initiates predefined measures corresponding to the event or informs the control personnel of the central control unit.
  • measures may include, for example, switching a switch, diverting a rail vehicle, braking or stopping a rail vehicle, opening or closing a barrier, and the like.
  • the computer program preferably processes, in addition to the sensor data, further data such as, for example, timetables of trains and departure authorizations of station stations.
  • the computer program can autonomously monitor and control the rail vehicles. As a result, the control personnel can be relieved. In addition, staff costs can be saved.
  • the sensor data received in the central control device can also be manually reviewed by a person, selected and further processed.
  • the data connection between the central control device and the fixed visual sensors and the data connection between the central control device and the route elements is a wireless data link.
  • the data connection between the central control device and the security elements is a wireless data connection. This simplifies the installation, commissioning and maintenance of the stationary sensors and the safety and track elements, since no cabling is required.
  • the data connection is a wired connection.
  • the train control system comprises a wireless communication network, to which the stationary sensors, the route and safety elements, the rail-bound vehicles and the central control device are connected. That allows one powerful and reliable communication.
  • the communication network is a wide area radio network, a "Wireless Wide Area Network” (WWAN). Examples of a WWAN are radio networks such as LTE, WiMAX, GSM and UMTS.
  • the communication network preferably comprises a second redundant wireless network, in particular a local mobile radio network. This ensures the data connection even if the first network fails.
  • the position of the stationary visual sensors can be determined in each case by means of a locating device so that the position of the stationary visual sensors can be sent by means of a transmitter to the central control device.
  • the central control device always knows from where the sensor data originate.
  • the position indication of the stationary visual sensors allows a simple and reliable determination of kinematic variables such as position, speed and acceleration of the rail-bound vehicles.
  • the visual sensors do not include a locating device.
  • the fixed visual sensors include a warning device that can emit audible or visual warning signals. This can alert people in the vicinity of a fixed visual sensor to warn of a hazard.
  • a warning device that can emit audible or visual warning signals. This can alert people in the vicinity of a fixed visual sensor to warn of a hazard.
  • collisions between rail-bound vehicles and objects on the rail or collisions between road vehicles and rail-bound vehicles at a railroad crossing can be avoided
  • the visual sensors comprise no warning device.
  • the stationary visual sensors comprise two redundant power supplies.
  • the stationary sensors preferably each include an energy store.
  • the redundant energy supply provides a complete power supply of the stationary sensor safely. This reduces the risk that a sensor will fail completely.
  • control device is configured to process information, which information comprises at least one information, such as the state of the sensor, the topography of the sub-rail network, the state of the sub-rail network, sensor data of the fixed visual sensors, the position of the safety and track elements, data the safety and track elements, instructions from railway staff on the railway or in stations, and data from rail vehicles (800).
  • information comprises at least one information, such as the state of the sensor, the topography of the sub-rail network, the state of the sub-rail network, sensor data of the fixed visual sensors, the position of the safety and track elements, data the safety and track elements, instructions from railway staff on the railway or in stations, and data from rail vehicles (800).
  • Information about the state of the sub-rail network for example, information about an object that is located on the rail or the condition of the tracks, in particular damage to the tracks include.
  • Data of the safety and track elements may be information such as the position of the switch or the position of a barrier.
  • Instructions from the railway personnel can be, for example, the departure clearance for a train, an error message for a train or the like.
  • Data of the rail-bound vehicles may include, for example, their position, acceleration or speed or information about weight, length or condition of the train.
  • the invention further relates to a control device for a train control system, in particular for a train control system as described above, wherein the control device is stationary and centrally located and the central control device is in data communication with stationary visual sensors, the stationary central control device is adapted to sensor data from the visual Receiving and processing sensors and wherein the control device is designed such that at least two route elements, preferably two switches, can be controlled by including the sensor data processed in the control device.
  • the invention further relates to a method for monitoring at least one sub-rail network of a rail network and of rail-bound vehicles on this sub-rail network and for monitoring and controlling at least two switchable track elements, in particular turnouts, of the sub-rail network by means of a train control system, in particular a train control system as described above, the method comprising the steps of: acquiring sensor data with fixed visual sensors, sending the sensor data of the visual sensors to a fixed central control device, receiving and processing the sensor data in the fixed central control device.
  • the central control device influences the at least two route elements in the at least one sub-rail network, including the processed sensor data.
  • the schematic representation in FIG. 1 provides an overview of the elements of the inventive train control system 100 for monitoring a rail network and rail-bound vehicles such as trains or trains 800 such as railcars, locomotives and shunting on the rail network.
  • the train guidance system 100 further serves to monitor and control at least two switchable route elements, such as points 400 or safety elements, such as barriers 600 of a railroad crossing.
  • the train control system 100 includes a Traffic Control Center (TCC) 200, stationary visual sensor 500, and commander 450 at points 400 and commander 650 at barriers 600.
  • TCC Traffic Control Center
  • the core of the train control system is the TCC 200. It is stationary and centrally located.
  • the stationary visual sensors 500, the commanders 450, 650 for switches 400 and barriers 600 and on-board units (OBU) 900 on the traction units 800 are arranged in a decentralized manner.
  • the TCC 200 is in wireless data communication with the visual sensors 500, the commanders 450, 650 and the 800 locomotives.
  • the data connections are made via a "Wireless Wide Area Network" (WWAN).
  • WWAN Wireless Wide Area Network
  • the data connections are in FIG. 1 shown with dashed lines.
  • the stationary visual sensors 500 are arranged along all the sections 700 of the rail network, at points 400 and at barriers 600 at a level crossing.
  • Each diverter 400 and each barrier 600 includes a commander 450, 650.
  • the TCC 200 includes three redundant computers that monitor each other.
  • the visual sensors 500 include stereo cameras, ultrasound and radar sensors, and detect events on the track portion under observation through intelligent software. Key events 500 wirelessly report the visual sensors 500 to the central TCC 200.
  • higher-level sensor software processes the sensor data from the individual visual sensors 500 and combines the sensor data into a total redundancy-free view. Events that change this overall view are reported to a Traffic Control Software in the TCC 200.
  • the "Traffic Control Software” directly controls, based on the received events of the fixed visual sensors 500, the switches 400 and barriers 600 wirelessly through the stationary commanders 450, 650 and the power cars 800 via wireless communication channels.
  • the TCC 200 knows basic conditions such as timetables and Shunting orders and accepted spontaneous additions to it. With methods, algorithms and artificial intelligence trains are controlled via the rail network according to the timetables and departure permits at the stops. People handle only extraordinary situations with instructions to the TCC 200.
  • a multi-layer security software in the TCC and a central computer system which complies with safety integrity level 4 (SIL 4), guarantee high redundancy and SIL 4.
  • the entire rail network with all activities is in the TCC 200 graphically displayed on screens or screens on the desired scale.
  • the visual sensors 500, the commanders 450, 650 and the TCC 200 replace at low cost completely the extremely expensive decentralized interlockings as indoor systems with the associated outdoor facilities such as track vacancies, axle counters, signals and their Cabling.
  • the individual elements of the train control system 100 will be described in more detail below.
  • the visual sensor 500 comprises two stereo cameras with infrared LED for illumination, two Doppler radars, three ultrasonic sensors and, depending on the version, also LiDAR (light detection and ranging) and one smoke and temperature sensor each.
  • the cameras and sensors are housed in an all-weather, temperature-controlled housing.
  • the visual sensor 500 also includes software for detecting predetermined events, a receiver, and a transmitter for receiving and transmitting data.
  • the visual sensors 500 are located at the track edge, at points 400, at barriers 600 and at stations.
  • the visual sensors 500 can distinguish rolling stock from other objects and recognize the beginning and end of a turn.
  • the visual sensors 500 measure the position and speed of the trains and calculate the acceleration of the train based on several speed measurements. Every 1 - 3 seconds, the visual sensors 500 send this information with a time stamp via WWAN to the passing traction unit 800 and to the TCC 200. Traction unit 800 and TCC 200 can use the time stamp to continuously extrapolate this information. This enables a reliable speed measurement.
  • the visual sensors 500 do not respond to hare, birds, leaves or snow.
  • the TCC 200 may request images of the visual sensors 500 at any time. This will make everything visible along the rails.
  • visual sensors "see” 500 they can intelligently handle extraordinary situations and events, such as hazardous situations or construction site operations.
  • the visual sensors 500 can reliably detect fog and snow, objects and events, which is not possible for a human being, a camera or a radar system.
  • the visual sensors 500 detect also smoke and temperature, which is especially important in tunnels.
  • the length of a train can be detected everywhere and its integrity controlled.
  • the acceleration of a train can be detected precisely. This can be used, for example, to estimate how a situation develops.
  • the visual sensors 500 monitor in the railway network the free route as well as the stations and all track and security elements of the rail network.
  • the monitoring area of the visual sensor 500 includes the rails with the gauge for the trains and an additional margin. In the case of level crossings, the monitoring area additionally comprises the railroad crossing with the barriers 600.
  • the visual sensor 500 determines its monitoring area on the basis of its position and information from a rail network image.
  • the visual sensor 500 receives its exact time from an integrated GPS receiver. Visual sensors 500 without GPS reception use time messages on the communication network.
  • FIGS. 2a-2c show possible arrangements of the visual sensors 500.
  • the visual sensors 500 are usually mounted on the left side of the rails at a height of 3 m on a mast, in the normal case on a catenary mast.
  • the railway company may alternatively use uniform masts 560 only for the visual sensors 500.
  • the visual sensor 500 is mounted on such a mast 560.
  • the visual sensor 500 is easily attachable at different heights, in the exact direction. From mast 560 to mast 560 an overhead line can be pulled, which is inexpensive at least on the route.
  • FIG. 2b shows a mounting option of the visual sensor 500 in a tunnel 570 and in Figure 2c
  • the visual sensor 500 is attached to a station or shelter roof 580 with a short mount 581.
  • FIG. 4 schematically shows the arrangement of the visual sensors 500 at a track section 710, 720 of the rail network.
  • a first visual sensor 500.1 points a first monitoring area 591 and observes the rail portion 710 in a first direction of travel, as shown in FIG. 4 this corresponds to the direction from left to right.
  • a second visual sensor 500. 2 has a second monitoring area 592 and observes the rail section 710 in the second direction of travel 592, FIG. 4 this corresponds to the direction from right to left.
  • the visual sensors 500.1, 500.2 thereby generate redundant sensor data.
  • the rail section 720 of a second rail track is also observed with two visual sensors 500.3, 500.4, each with a monitoring area 593, 594 in both directions of travel.
  • the visual sensors 500 observe, depending on the situation, a range of 50 m to 300 m per direction of travel.
  • a visual sensor 500 may describe a situation only in its surveillance area. Sensor software in the TCC 200 then combines this partial information into an overall situation.
  • FIG. 3 12 schematically shows the structure of a visual sensor 500.
  • the visual sensor 500 includes a lower mounting part 510 and a top 520.
  • the mounting part 510 is designed so that it can be easily fixed in different environments.
  • the mounting part 510 comprises two feeders 512, 513, with a connection 513 for an optional second alternative feed.
  • cable entries are provided on the two end faces strain relief for overhead line.
  • the upper part 520 is watertight on the mounting part 510 inserted via a secure plug connection for the power supply and connected to the mounting part 510 with captive screws. If a cable is laid as a "back bone" for the WWAN, this is also performed in the mounting part 510 and connected to the upper part 520 with a plug connection.
  • the upper part 520 includes the electrics and electronics, two stereo cameras 532, two Doppler radar 533 and three ultrasonic sensors 531.
  • a stereo camera 532, a Doppler radar 533 and an ultrasonic sensor 531 each aligned in a direction of travel of the trains.
  • an ultrasonic sensor 531 is mounted on the side of the visual sensor 500 so as to be perpendicular to the rail. The sensors are with a canopy against precipitation protected.
  • the visual sensor 500 further includes an RFID sensor 530 attached to the side of the visual sensor 500.
  • the visual sensor 500 includes a smoke sensor 535, a temperature sensor 536, a warning light 534, a microphone and a speaker for a voice output or an audible alarm.
  • the antennas for communication are mounted adjacent to the outer wall of the upper part 520. They are not freestanding.
  • the top 520 of the visual sensor 500 includes a primary communication channel 521 for the WWAN, a backup channel 522 for a public mobile network, a general processor 523, a memory 524 in which the rail topology of the rail network is stored, a neuroprocessor 525, a position sensor 526 , a D-GPS receiver 527, a synchronized time standard timer unit 528, two 12V supplies 529, and a battery that provides power to operate the visual sensor for at least 48 hours without any other power supply.
  • the neuroprocessor 525 in the visual sensor 500 includes software that analyzes in real time the images from the stereo cameras 532, Doppler radar 533 or LiDAR, and the ultrasonic sensors 531.
  • the software constantly compares the recorded events with predefined events.
  • a detected event matches a predefined event
  • the software in the visual sensor 500 wirelessly transmits an event message to all three redundant computers of the TCC 200.
  • a predefined event may be a situation where a branch or other object enters the gauge space of the TCC 200 Trains stick out, so the trains would be obstructed at the passage.
  • a predefined event can also be the exceeding of the maximum speed of the train in a certain section of the route, a specific setting of points or a certain barrier position or another state which would endanger the train operation or would influence the smooth operation of the train.
  • the event report of the visual sensor 500 accurately describes each event and each event message to the TCC 200 includes additional information about the softening of all switches 400 in the surveillance area of the respective visual sensor 500, the opening level of the barriers 600 of a level crossing in the respective surveillance area, and the state of the visual Sensor 500, such as information about the feed, temperature and information from the smoke detector in the visual sensor 500. If no event is detected for a long time, the visual sensor 500 sends a status message to the TCC 200. All messages are transmitted wirelessly and cryptographically protected.
  • the neuroprocessor 525 in the visual sensor 500 is a standard product along with the software, which enables deep machine learning as a basis for programming.
  • the software is supplemented with programmed algorithms for the correct learning of the application.
  • the software is taught with millions of images from the track topology map to detect the specific orbit application.
  • the software of the neuroprocessor 525 is taught to detect the various events that are to be sent to the TCC 200. This is taught with many corresponding picture examples.
  • the control personnel can make image queries of certain sections, turnouts 400 or barriers 600.
  • the particular visual sensor 500 in this case sends a frame of the camera to the TCC 200.
  • videos may also be transmitted in real-time from the visual sensors 500 to the TCC 200.
  • the visual sensor 500 is mountable by a fitter and can easily be connected to the feeders.
  • the visual sensor 500 does not have to be mounted upright.
  • the position sensor 526 detects correction data so that the software can be set to the position of the visual sensor 500.
  • the visual sensor 500 determines its position with D-GPS itself. Once he has found a stable, secure position, he determines his surveillance area based on the rail topology and his outward view. After this initial position determination the GPS is only used as a time base. Visual sensors 500 that do not have GPS receive their coordinates from the TCC 200. These coordinates are determined from the known rail topology for each visual sensor 500.
  • the general processor 523 in the visual sensor 500 controls the time.
  • the GPS periodically corrects this time.
  • the time is periodically available on the WWAN as a time indication so that visual sensors 500 without GPS reception can synchronize their clock.
  • the exact time stamp in all messages is important for all involved devices, so that they can continuously extrapolate the position messages and to check the timeliness of a message.
  • the 532 stereo cameras each have an opening angle of approx. 90 °, work in color in the daytime and as an infrared camera in black and white at night.
  • the sensitivity is at least 0.01 lux in color and 0.001 lux in black and white.
  • the horizontal resolution is 1024 pixels.
  • the infrared light illuminates 150 m in the night-vision mode.
  • a stereo camera 532 of the next visual sensor 500 for the same rail section illuminates the same distance from the opposite direction. The light is focused at 20 °.
  • the Doppler radar 533 operates in the frequency range around 77 GHz and has a range of 300 m. The opening angle is approximately 20 °.
  • the firmware supplied with Doppler radar 533 can directly detect people and rolling stock.
  • the Doppler Radar 533 is a mass-produced product for the automotive industry and usually recognizes different vehicle types and people directly. This firmware is customizable for railway rolling stock.
  • lasers can be used if they are available in a smaller design without moving parts on the market. They give accurate 3-dimensional images. Laser devices do not see through fog and snow.
  • the Doppler radar and the ultrasonic sensors allow reliable monitoring of the surveillance area even in very bad weather.
  • the Doppler radar can measure the distance to an object and determine the speed of the object.
  • the smoke sensor 535 of the visual sensor 500 responds to smoke and triggers an event which is reported to the TCC 200.
  • the temperature sensor 536 continuously measures the temperature. If a predefined value is exceeded, a message is sent to the TCC 200.
  • the ultrasonic sensors 531 are used at close range.
  • An ultrasonic sensor 531 directed at a right angle to the rail detects a transition when a train tip or a train end passes (length measurement, absolute position for comparison with the radar).
  • the RFID sensor 530 reads the RFID transponders on the passing trains and also recognizes trains on adjacent rails.
  • the RFID data of the detected cars of the train are sent by the visual sensor 500 to the TCC 200. If all cars are equipped with RFID transponders, the TCC 200 has a complete picture of the rolling stock on the rail network.
  • the TCC 200 can issue commands with coordinate ranges. All visual sensors 500 in a particular coordinate range then receive the command from the TCC 200. For example, the TCC 200 may issue an alarm for a particular coordinate range using the visual sensors 500. Individual visual sensors 500 can also be used to select a voice output. To alert the environment, the visual sensors include the warning light 534 and a speaker or horn.
  • the captured sensor data from the visual sensors can be used to create event logs. This logs all events on each track section. The past is comprehensible, the data serve as information, proof and as a basis for further evaluations.
  • the two redundant supplies 529 internally transform the incoming voltage and frequency to a 12V DC for operation of the visual sensor 500 and for charging the battery.
  • the two feeds 529 have different Feeds. If only one feed is active, both feeds receive energy from the active feed. The voltage is stabilized between the battery and the loads because the battery voltage can vary depending on the state of charge.
  • a lithium battery As a 12 V battery, a lithium battery is used, which is charged by two feeds 529. In case of failure of the two supplies 529, the battery delivers 12 V without interruption for 48 hours. This means that the battery is always connected to the consumer via a stabilizer. In the event of a power outage, the malfunction can usually be resolved within 24 hours and the visual sensor 500 remains operational.
  • a heater of the visual sensor 500 ensures a minimum temperature in the housing and on the surface of the 532 stereoscopic cameras 5 ° C. Normally, the heating to this temperature takes place by the heat emission of the installed devices.
  • the TCC 200 may send requests to the visual sensor 500 such as requests for images, for real-time video recording, activation of the voice channel, activation of a download, request for a time indication, or alarm (flashing or audible).
  • the rail topology is known and stored in the TCC 200, in the visual sensors 500 and in the on-board devices 900 of the traction units 800.
  • the rail topology is recorded once and possibly again after a change of the rail network with a prepared locomotive.
  • the locomotive includes this front and rear at 3 m height on both sides, as far outside as possible, a camera with infrared light, a radar and an ultrasonic sensor in the direction of travel and one camera, which are aligned laterally 90 ° to the direction of travel.
  • This locomotive runs the entire rail network and films and photographs the rail network with high resolution.
  • In the locomotive there is a system for the exact determination of the position (WGS84 and altitude above sea level).
  • the visual sensors 500 are taught by "deep machine learning" to recognize the rail network.
  • the detected rail topology is stored in the memory 524 in the visual sensors 500, in the on-board devices 900 of the traction units 800 and in the TCC 200, in particular also in the SIL-4 computer system.
  • the communication channels Via the communication channels, the current rail topology in the visual sensors 500 and the on-board devices 900 can later be tracked by means of download and update.
  • the visual sensors 500 maintain a wide area wireless network, a "wireless wide area network” (WWAN), along all rails of the rail network.
  • WWAN wireless wide area network
  • This WWAN is connected several times to the TCC 200 and all decentralized devices use this network.
  • the WWAN transmits data, voice and streaming.
  • FIG. 5 the communication networks used by the train control system 100 according to the invention are shown schematically as dashed lines. So is in FIG. 5 WWAN 360, via which the visual sensors 500, commanders 450, 650 and on-board devices 900 of the traction units 800 communicate with the TCC 200. Rail personnel on the line or in train stations can use the WWAN 360 with mobile devices for voice and data transmission. As backup to the WWAN 360 local mobile networks 370 are used, in Switzerland, for example, the mobile network G4. Periodically, WWAN 360 and backup connections to mobile networks 370 are reviewed by each visual sensor 500, commanders 450, 650, TCC 200, and on-board devices 900 of railcars 800.
  • the TCC 200 When the TCC 200 has sent a command to a railcar 800 via WWAN 360, the TCC 200 receives a receipt from the respective railcar 800. If the TCC 200 does not receive an acknowledgment, the command is repeated over a cellular network 370. In the reverse direction, the communication is the same: if the trolley 800 does not receive an acknowledgment on a request to the TCC 200, the command is repeated over a cellular network 370. The failure of the connection between TCC 200 and traction vehicle 800 leads to the braking of the train.
  • the visual sensors 500 also send their messages via WWAN 360 to the three computers of the TCC 200.
  • the sending visual sensor 500 does not immediately receive a receipt from all the computers of the TCC 200, the visual sensor 500 sends the message over a cellular network 370 to those computers of the TCC 200 from which the visual sensor 500 did not receive a receipt.
  • the computers of the TCC 200 send their commands via WWAN 360 to the commanders 450, 650. If a computer of the TCC 200 does not receive an immediate acknowledgment from a command generator 350, 650, the computer likewise sends the message over a mobile radio network 370 to the corresponding command generator 450, 650th
  • the Traffic Control Center (TCC) 200 functions as a central control facility.
  • the TCC 200 consists of hardware and software.
  • FIG. 6 the structure of the hardware of the TCC 200 is shown schematically.
  • the hardware consists of three redundant computers 210, 220, 213 and a SIL 4 computer system 220, which complies with safety integrity level (SIL) 4.
  • SIL safety integrity level
  • Each computer 210, 220, 213 includes a computer system, cryptographic communication ports, and remote user interface ports.
  • the TCC 200 organizes and optimizes the train sequence, manages resources such as the rail network, platforms, evasive tracks and the like with machine intelligence. To do so, the TCC 200 provides turnouts 400, controls barriers 600 of railroad crossings, controls trains, makes suggestions to personnel, informs personnel about disruptions, and asks personnel priorities for multiple options. To control the trains, the TCC 200 monitors departure receipts from the trains and accepts the departure receipt at each stop. If necessary, the TCC can influence the trains via the connection to the vehicles 800 and via their on-board device 900, for example to initiate emergency braking in an emergency. Furthermore, if required, the TCC 200 can largely control the entire railway operation autonomously; only exceptional situations need to be handled by the control staff.
  • Switch points and barrier positions are displayed in real time in the TCC 200.
  • each command to a turnout 400 or barrier 600 is visually monitored.
  • the control personnel in the TCC 200 are alerted if the command has not been executed within the prescribed time.
  • a user interface adapts to the available screen size and displays the information in the desired scale. Trains are also displayed in real time.
  • the braking distance, the slip path, the authorized return distance and all other information about the train are displayed graphically in real time. Freight wagon shunting areas are marked. As a result, all movements within the rail network, including individual train cars, are visible in the TCC 200.
  • the TCC 200 includes sensor software for coordinating and interpreting the sensor data of the visual sensors 500, "Traffic Control Software", control software, and SIL 4 security software.
  • the sensor software in the TCC 200 receives all event messages from the visual sensors 500 and can merge the observations of the visual sensors 500 into a total redundancy-free view. Furthermore, this sensor software can compare the event messages of the visual sensors 500 against each other. Only coordinated and correct event messages are forwarded to the higher-level traffic control software. The sensor software also checks the regularity of the status messages of all visual sensors 500. In the case of errors and malfunctions, suitable measures are taken and maintenance is mobilized.
  • the coordination tasks of the sensor software include, in particular, the recognition of rolling stock across multiple visual sensors 500, calculating the length of a train, determining the condition of a construction site and initiating safety measures, as well as performing other higher-level coordination tasks.
  • the software architecture of the "Traffic Control Software” of the TCC is described from a logical perspective.
  • the layered architecture includes an input / output level, an image level, a backup level, a control level, a planning level, and a user interface.
  • the individual levels are explained in detail below.
  • the input / output level tasks include monitoring the visual sensors 500 and commanders 450, 650, receiving and transmitting messages, detecting faults, filtering redundancy from the messages (because of redundant communication paths and because different visual sensors 500 are sending the same information), Receive messages from the locomotives 800 and send messages to the locomotives 800.
  • the image-level tasks include tracking an image of the rail network in real-time, detecting new events, and passing events.
  • the image of the rail network in real time is based on observations of the visual sensors 500, to messages from the commanders 450, 650 and the traction units 800.
  • the image in real time represents the actual state.
  • a target image superimposed on the image in real time, but separated, shows the TARGET state of the rail network.
  • This SETPOINT image is formed on switches 400, barriers 600 and trains based on the commands of the control plane.
  • the state of a turnout, as commanded or the desired acceleration, speed or braking of a train is detected for the target image.
  • the tasks of the safety level include checking the train distances and the development of the train distances taking into account the points and the braking curves of the trains. For example, the protection level checks whether all trains drive safely (frontal, side and collision protection). Fulfillment level duties also include checking barrier positions at level crossings based on train movements, executability of TCC 200 commands, such as whether a particular turnout 400 can currently be deployed or whether it is occupied by a train.
  • the backup level also carries out further security checks, which are constantly specified.
  • the tasks of the control level include the direct control of the trains according to the specifications of the planning level and the execution of the instructions of the planning level, if the instructions were accepted by the security level.
  • the planning level assumes planning, with the long-term and short-term timetable serving as the basis for planning.
  • the trains are always planned in passenger and freight via timetable, even when maneuvering in stations and on the track. Direct entries for movements can only be made in shunting mode in reserved shunting zones.
  • Unmanned Train Operation the traction units are remotely controlled in case of breakdowns by controlling the TCC 200.
  • the planning level includes further tasks such as the planning of train sequences, the planning of train paths, the use of sidings, the use of platforms and the like with intelligent Software. The situation is constantly re-evaluated and optimized at short intervals. The desired processes are transmitted to the control level for execution. For example, the planning level does not take into account switches that can be safely switched by the approach of a train.
  • the planning level searches for alternative services. In the event of faults, the planning level processes various predefined scenarios and proposes the currently useful scenarios to the operator for selection. Long-term schedules are not developed on the TCC 200, but are adopted by other systems.
  • the tasks of the user interface include the display of selected data on screens or on a screen cluster at the desired scale, supplementing the information with all the details depending on the selection, informing about important unavoidable deviations from the timetable and accepting user input.
  • These user inputs include, for example, schedule additions and changes to the trains (new trains, moves), selection of a scenario proposed by the planning level in case of failures, selection of a proposed change of a conventional platform in case of congestion, selection of an action, if the planning level informs that specifications from the timetable are not feasible because of the current state of the rail network or entries regarding maneuvering on maneuvering zones.
  • the user interface also graphically displays a virtual cab. In this virtual cab, video images of the locomotive and images are displayed forward from the locomotive in real time.
  • the three computers of the TCC 200 are generically monitored.
  • the three computers 211, 212, 213 do not necessarily have to be SIL 4 compliant, but only the SIL 4 computer system 220.
  • New releases for the computers 211, 212, 213 do not have to be certified each time.
  • the drivers 450, 650 and the on-board devices 900 of the locomotives 800 comprise software with a core that must be certified at every change.
  • the computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are programmed and maintained independently of three groups to exclude systematic errors. Every computer 211, 212, 213 includes autonomous monitoring of the visual sensors 500 and commanders 450, 650. Further, the TCC 200's computers 211, 212, 213 comprise multi-level and multi-mode security software that is always active. Therefore, the computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are unlikely to make mistakes unnoticed. In order to guarantee SIL 4 generically, however, the SIL 4 safety software of the SIL 4 computer system 220 superordinate monitors the computers 211, 212, 213 as the last instance.
  • the SIL 4 security software of the SIL 4 computer system 220 compares regions of the images of the real world, that is, for example, the trains, rolling stock, turnouts 400, barriers 600 and interference of the tracks, the three computers 211, 212, 213 with each other. At least two images must match exactly. Staff will be alerted if there are only two images for more than two minutes.
  • the SIL 4 safety software has generic functions that calculate or detect hazardous situations in the images. If the SIL 4 security software of the SIL 4 computer system 220 detects a dangerous situation in one area, the SIL 4 security software blocks the command output of the computers 211, 212, 213 for this area and an alarm is triggered. If the trains do not receive regular information from the computers 211, 212, 213 of the TCC 200, they stop after three seconds ("service brake") until the contact works again. If the information persists, an emergency brake will be initiated after a further six seconds.
  • service brake three seconds
  • the commutators 450 of the switches 400 and the commander 650 of the barriers 600 are wirelessly connected to the TCC 200 via WWAN.
  • the commanders 450, 650 execute a command from the TCC 200 when, within two seconds, at least two processors 211, 212, 213 of the TCC 200 have received the same command. If only one command arrives at a commander 450, 650, or if the commands are different, the three processors 211, 212, 213 of the TCC 200 are alerted and the command is not executed.
  • the commanders 450, 650 include software with a core that must be recertified at each release.
  • the kernel checks the function of the commander 450, 650 and blocks command execution in the event of a fault.
  • the software of the commander 450, 650 alerts the computers 211, 212, 213 of the TCC 200.
  • the receipt of a command is acknowledged by the commander 450, 650 to the corresponding computer 211, 212, 213 of the TCC 200. If the state of a switch 400 (position, transient) or a barrier 600 (open, transient, too) changes, all computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are informed. Every 10 minutes, the commanders 450, 650 send a current status sign of life to the computers 211, 212, 213 of the TCC 200.
  • the commanders 450, 650 comprise two redundant supplies which transform the incoming voltage and frequency internally into 12V DC.
  • the two feeds each have a different feed. If only one feed is active, both feeds receive energy from the active feed.
  • the multiple units 800 preferably include an on-board unit 900.
  • the on-board unit 900 is for displaying information, for user input and for communicating information to the TCC 200 and for receiving information and instructions from the TCC 200.
  • the FIG. 7 12 schematically shows the structure of the on-board device 900.
  • the on-board device 900 comprises a primary communication channel 901 for the WWAN, a backup channel 902 for a public mobile network, a general processor 903, a memory 904 in which the detected rail topology is stored, a neuroprocessor 905, a position sensor 906, a D-GPS receiver 907, a clock unit 908 for creating a synchronized time standard, two 12-48V feeders 909, a battery and an interface 910 to the traction unit 800.
  • the on-board unit 900 also includes an operating and display unit 911.
  • the on-board unit 900 also includes a head-up display 912, a speaker 913 and a microphone, four ultrasonic sensors 914, a stereo camera 915 with infrared light for illumination and a Doppler radar 916.
  • the stereo camera 915 with the infrared light has a range of about 100m.
  • the Doppler 916 radar operates in the 24 GHz range for wide surveillance within 30m.
  • the ultrasonic sensors 914 measure about 60 m wide. The ultrasonic sensors are used in particular for keeping the distance when intentionally driving on a train on the the same track, against the end of the track in sack stations or for coupling to rolling stock.
  • the on-board device 900 displays the speed measured by the visual sensors 500 and the distance to the next destination point of the end travel authority (EOA). In the vicinity of the EOA, the head-up display 912 of the on-board device 900 projects a stop notice board.
  • the on-board unit 900 communicates via the WWAN and public mobile radio networks.
  • the on-board device 900 comprises a control unit which is mounted behind the windshield of the traction vehicle 800.
  • the antenna for the WWAN is mounted on the roof of the locomotive 800, together with the antennas for the mobile networks.
  • the four ultrasonic sensors 914 are mounted in a shell of the traction vehicle 800 and radiate freely in the direction of travel forward.
  • the head-up display 912 is located in the cab in front of the driver.
  • the interface 910 of the on-board device 900 ensures the connection of the border 900 to the train's electronics.
  • the interface 910 is connected to the control unit by means of a CAN bus and is advantageously mounted close to the traction vehicle electronics.
  • the On-Board Unit 900 includes software with a core that must be recertified at each release of this core.
  • the core checks the functioning of the on-board unit 900 and blocks the execution of the command in the event of a fault or stops the train.
  • the onboard 900 software alerts the TCC 200.
  • the time is set via the GPS. If there is no GPS reception, the time of the WWAN is taken over.
  • the position reported by the visual sensors 500 is compared with the GPS position. Deviations (without tunnels, covered stations, etc., only with good satellite reception) are alerted to the TCC 200.
  • the battery of the onboard unit 900 provides energy for 30 days in reduced mode (stand by) without charge. During normal operation, the battery is charged from the electrical system of the traction vehicle 800.
  • the interface 910 to the traction vehicle 800 makes it possible to completely influence the traction vehicle 800 via the on-board device 900. So there can be functions for that Driving, accelerating and braking the traction vehicle 800 and, for example, the operation of the pantograph on the onboard unit 900 are controlled.
  • the head-up display 912 displays to the driver the exact position to hold and displays other information that would otherwise be displayed on notice boards, such as the maintenance area.
  • the driver can talk with the TCC 200 control personnel, the dispatcher, the train driver of other trains and the train crew at the stations.
  • a connection can be established with the on-board device 900 as in a mobile telephone by means of function numbers.
  • the invention is not limited to the execution of the above-described Buchleitsystems.
  • the central control device it is not necessary for the central control device to have three redundant computers. It is not necessary for the central control device to autonomously control the railway operation. It is also not mandatory that the complete rail network is covered by visual sensors. For example, parts of the rail network can also be monitored with other sensors.
  • the rail network does not necessarily have to include barriers. In addition, the barriers do not necessarily have to be controlled by the central control unit. Also, for example, in addition to the points also other controllable route elements can be controlled by the central control device.
  • the invention may otherwise be carried out deviating from the elements described above.
  • the construction of the visual sensors may be different from the construction described above.
  • the visual sensors may for example comprise only one camera or only one radar sensor.
  • there is no need for a connection between the central control device and the rail-bound vehicles If there is no connection, the control of the railway operation by the central control device, for example, only via the control of switches and signals.
  • the rail-bound vehicles do not necessarily have an on-board unit.
  • a train control system has been created which allows reliable monitoring of a rail network and reliable monitoring of track elements and rail vehicles on the rail network and also allows control of the rail vehicles and the track elements on this rail network.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zugleitsystem (100) zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen (800) sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen, insbesondere Weichen (400), des Teilschienennetzes. Das Zugleitsystem (100) umfasst mindestens zwei ortsfeste visuelle Sensoren (500) zum Erfassen von Sensordaten und mindestens eine ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung (200). Die Kontrolleinrichtung (200) steht in Datenverbindung mit den visuellen Sensoren (500) und mit den beiden Streckenelementen. Die zentrale Kontrolleinrichtung (200) ist dazu ausgebildet, die Sensordaten von den visuellen Sensoren (500) zu empfangen und die Sensordaten zu verarbeiten, wobei das Zugleitsystem (100) derart ausgebildet ist, dass unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten der visuellen Sensoren (500) die mindestens zwei Streckenelemente gesteuert werden können. Die Erfindung betrifft weiter eine zentrale Kontrolleinrichtung und ein Verfahren zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen (800) auf diesem Teilschienennetz sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen des Teilschienennetzes mittels Zugleitsystem.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Zugleitsystem zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes eines Schienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen auf diesem mindestens einem Teilschienennetz sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen, insbesondere Weichen, des Teilschienennetzes. Das Zugleitsystem umfasst mindestens zwei ortsfeste visuelle Sensoren zum Erfassen von Sensordaten des Teilschienennetzes und mindestens eine ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung. Die zentrale Kontrolleinrichtung steht in Datenverbindung mit den ortsfesten visuellen Sensoren und die zentrale Kontrolleinrichtung steht in Datenverbindung mit den beiden Streckenelementen, wobei die zentrale Kontrolleinrichtung dazu ausgebildet ist, die Sensordaten von den ortsfesten visuellen Sensoren zu empfangen und die Sensordaten zu verarbeiten.
    • Stand der Technik
  • In der heutigen Zeit steigt der Mobilitätsgrad der Bevölkerung ständig und Strassen-, Eisenbahn-, Schifffahrts- und Flugnetze werden laufend ausgebaut. Eine wichtige Rolle spielt dabei der öffentliche Verkehr und insbesondere der Bahnverkehr. Allein in der Schweiz legen täglich 8'500 Züge eine Strecke von 410'000 km zurück. Die Koordination von so vielen Zügen und die Gewährleistung der Sicherheit für die tausenden von Bahnreisenden und für das Bahnpersonal stellt eine grosse Herausforderung dar. Züge, Schienennetz, Strecken- sowie Sicherheitselemente müssen zuverlässig funktionieren. Das erfordert eine Überwachung der Züge, des Schienennetzes und der Bahnhöfe sowie eine Überwachung und eine rechtzeitige und korrekte Steuerung von Weichen, Barrieren, Bahnsperren und Signalen.
  • Hierzu sind Zugleitsysteme zum Überwachen eines Schienennetzes und zum Überwachen und Steuern von Zügen und Schienenfahrzeugen bekannt. Dabei müssen die Zugleitsysteme nicht nur für die Sicherheit sorgen, sondern dienen auch dazu, die Pünktlichkeit der Züge zu verbessern und Informationen über den Bahnverkehr im überwachten Schienennetz für Zugpersonal und Passagiere bereit zu stellen.
  • Zugleitsysteme umfassen üblicherweise eine Vielzahl von dezentralen Stellwerken zur Überwachung und zur Steuerung von Weichen und Signalen in Bahnhöfen und auf der Strecke. Sensoren zählen die Achsen der Züge und Gleisfreimeldeanlagen überwachen den aktuellen Belegungszustand der Gleise. Die Stellwerke regeln darüber hinaus mit Hilfe eines Streckenblocks Folge- und Gegenzugfahrten auf der freien Strecke. Die Stellwerke erkennen, ob ein Gleisabschnitt frei oder belegt ist, die Weichenstellungen und den Öffnungsstand der Barrieren.
  • Darüber hinaus sind auch Überwachungssysteme bekannt, die entlang der Bahnstrecke angeordnete Sensoren umfassen, um beispielsweise einen Bahnübergang zu überwachen.
  • Ein solches Überwachungssystem beschreibt zum Beispiel die WO 2011/162605 A2 (R. Bakker ). Das Überwachungssystem umfasst an einer Oberleitung der Bahn angeordnete Ultraschall- oder Radarsensoren, welche detektieren, ob sich ein Zug in dem überwachten Streckenabschnitt im Bereich des Bahnübergangs befindet und mit welcher Geschwindigkeit der Zug sich bewegt. Die Sensoren detektieren auch, ob beispielsweise ein Auto auf dem Bahnübergang steht. Erfasste Sensordaten werden an eine Kontrolleinrichtung weitergeleitet. Die Kontrolleinrichtung kann aufgrund der Sensorsignale Barrieren dynamisch steuern und wenn nötig eine Notbremsung des Zugs veranlassen.
  • Zugleitsysteme können zudem auch auf den Zügen angeordnete Kontrolleinrichtungen umfassen. Solche Zugkontrolleinrichtungen überwachen laufend die befahrene Strecke und können den Zug beeinflussen, wenn ein Hindernis auf der Schiene erkannt wird.
  • Die US 2016/0046308 A1 (Panasec Corp.) beschreibt eine solche Zugkontrolleinrichtung. Bei diesem System überwacht eine an der Zugspitze angeordnete Kamera die Gleisstrecke laufend und meldet einer Zugkontrolleinrichtung, wenn sich ein Objekt auf der Schiene befindet. Zudem wird die Strecke von Sensoren am Streckenrand und bei Weichen von Weichensensoren überwacht. Ereignisse werden drahtlos an die Zugkontrolleinrichtung des näher kommenden Zuges gemeldet. Die Zugkontrolleinrichtung verarbeitet die erhaltenen Daten und wenn ein Zustand ausserhalb eines Grenzwertes bestimmt wird, beispielsweise wenn eine Kollision wahrscheinlich ist, sendet die Zugkontrolleinrichtung Anweisung an den Zug. Wenn das Zugpersonal nicht richtig oder nicht rechtzeitig auf eine Warnmeldung reagiert, reduziert die Zugkontrolleinrichtung automatisch die Geschwindigkeit des Zuges oder leitet eine Notbremsung ein.
  • Die Zugkontrolleinrichtung, welche auf dem Zug angeordnet ist, kann nur den jeweiligen Zug beeinflussen. Die Weichen, Barrieren und die übrigen Züge auf dem Schienennetz werden durch lokale Stellwerke gesteuert. Eine umfassende Sicht auf das gesamte Schienennetz mit mehreren Zügen ist daher nicht möglich. Überwachungssysteme wie das in der WO 2011/162605 A2 (R. Bakker ) offenbarte System sind auf lokale Streckenabschnitte wie Bahnübergänge beschränkt. Zudem können auch diese Systeme nur den Zug steuern, der sich im überwachten Streckenabschnitt befindet oder sich diesem nähert.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Stellwerke erkennen den Zustand des Gleisnetzes nicht und können somit keine Hindernisse auf den Gleisen detektieren. Auch kann die Vollständigkeit von Zügen, insbesondere von Zügen die im Transit ein Schienennetz durchqueren, nicht zuverlässig überwacht werden. Des Weiteren können die genaue Position von Zügen und die Anzahl von Wagen innerhalb eines Streckenblocks nur direkt vor Ort von Menschen bestimmt werden. Die dezentralen Stellwerke, lokalen Kontrolleinrichtungen, Gleisfreimelder, Achszähler, optischen Signale und Balisen haben eine beschränkte Funktionalität und sind nicht flexibel für Veränderungen. Nicht zuletzt verursachen sie sehr hohe Investitions- und Unterhaltskosten.
  • Mit bekannten Sensorsystemen ist es aufwändig, fahrend eine Geschwindigkeit oder Distanz unter schwierigen Bedingungen, insbesondere bei Eis und Schnee, genügend genau zu messen. Zudem kann die Position von Zügen häufig nicht schnell und genau bestimmt werden, insbesondere in Tunnel, in Galerien auf Brücken oder bei schwierigen Wetterbedingungen wie beispielsweise bei Nebel, bei starkem Regen- oder Schneefall.
  • Zudem kann mit bekannten Zugleitsystemen nur mit festen Blockstellen gefahren werden und die genaue Position der Züge ist nicht kontinuierlich bekannt. In Streckenabschnitten, in denen keine Sensoren angeordnet sind, sieht der Lokführer nur ein kleines Stück Gleis vor sich. Diese begrenzte Sichtweite ist oft kürzer als der Bremsweg des Zuges. Befindet sich ein Objekt auf der Schiene oder ist die Schiene an einem unübersichtlichen Streckenabschnitt beschädigt, kann der Zug durch den langen Bremsweg oft nicht rechtzeitig anhalten. Es kommt nicht selten zu Kollisionen mit gravierenden Personen- und Sachschäden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Zugleitsystem zu schaffen, welches eine zuverlässige Überwachung eines Schienennetzes sowie eine zuverlässige Überwachung von Streckenelementen und schienengebundenen Fahrzeugen auf dem Schienennetz erlaubt und zudem eine Steuerung der schienengebundenen Fahrzeugen und der Streckenelementen auf diesem Schienennetz ermöglicht.
  • Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung ist das Zugleitsystem derart ausgebildet, dass unter Einbezug der in der zentralen Kontrolleinrichtung verarbeiteten Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren die mindestens zwei Streckenelemente in dem mindestens einen Teilschienennetz gesteuert werden können.
  • Vorliegend wird unter Zugleitsystem ein System zum Überwachen, Steuern, Automatisieren und Optimieren des Verkehrs von schienengebundenen Fahrzeugen auf dem Schienennetz verstanden. Es ist dabei unerheblich, ob einzelne örtlich begrenzte Teile des Schienennetzes, wie beispielsweise ein Rangierbahnhof oder ein Abstellgeleis nicht vom Zugleitsystem erfasst sind, solange das erwähnte Teilschienennetz ein Schienennetz mit Weichen bildet, auf dem schienengebundene Fahrzeuge verkehren können. Unter "mindestens einem Teilschienennetz" ist ein Teil eines Schienennetzes oder das gesamte Schienennetz zu verstehen. Falls es sich nur um ein "Teilschienennetz" handelt, umfasst dieses Teilschienennetz vorzugsweise mindestens zwei Bahnhöfe oder Haltestellen mit mehreren Weichen und Streckenabschnitten, so dass ein Bahnverkehr zwischen diesen mindestens zwei Bahnhöfen mit schienengebundenen Fahrzeugen ermöglicht ist.
  • Der Begriff "visuelle Sensoren" umfasst Sensoren, die elektromagnetische Wellen erfassen können, vorzugsweise elektromagnetische Wellenlängen zwischen 0.1 Mikrometer bis 10 Zentimeter, sowie Sensoren, die Schallwellen, vorzugsweise Ultraschallwellen mit einer Frequenz höher als 16 kHz. Visuelle Sensoren können somit beispielsweise Fotokameras, Videokameras oder sonstige Vorrichtungen mit Photodioden wie auch Radarsensoren und Ultraschallsensoren umfassen. Vorzugsweise ist der visuelle Sensor derart ausgebildet, dass mindestens zwei zueinander beabstandete Punkte, besonders bevorzugt eine Vielzahl von Punkten im Raum zeitgleich erfasst werden können.
  • Unter "ortsfesten Sensoren" sind Sensoren zu verstehen, die nicht auf einem Fahrzeug angeordnet sind und die sich im Wesentlichen nicht bewegen. Die ortsfesten Sensoren sind vorzugsweise im Bereich des Teilschienennetzes fest montiert. Der Begriff "ortsfest" schliesst jedoch nicht aus, dass sich ein Sensor ein wenig bewegen kann oder dass sich der Sensor zum Anpassen des Überwachungsbereichs des Sensors drehen oder schwenken kann. Die ortsfesten Sensoren sind vorzugsweise einige Meter über der Schiene angeordnet. Sie können sich aber auch neben der Schiene oder unter der Schiene befinden. Der Begriff "zentral" bezieht sich auf die örtliche Anordnung der Kontrolleinrichtung in Bezug auf die im Schienennetz angeordneten ortsfesten Sensoren und Streckenelemente sowie in Bezug auf die im Schienennetz verkehrenden Fahrzeuge. Die Kontrolleinrichtung ist vorzugsweise zentral an einem Punkt angeordnet. Der Begriff "zentral" schliesst jedoch nicht aus, dass die Kontrolleinrichtung auf einzelne wenige Punkte, beispielsweise im Rahmen einer redundanten Ausführung, verteilt ist, solange die von der Kontrolleinrichtung empfangenen Daten an einem örtlichen Punkt eintreffen. Dabei ist unerheblich, ob die eintreffenden Daten an einem einzigen örtlichen Punkt oder an mehreren Punkten, beispielsweise auf mehreren Computern der zentralen Kontrolleinrichtung, verarbeitet werden. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass bei einer Verbindung von zwei Teilschienennetzen auch zwei Kontrolleinrichtungen vorgesehen sein können.
  • Der Begriff "in Datenverbindung" definiert keine Richtung, in der zwei Elemente miteinander Daten austauschen können. So können beispielsweise Daten von einem Streckenelement zur zentralen Kontrolleinrichtung wie auch Daten von der zentralen Kontrolleinrichtung zu einem Streckenelement übertragen werden. Der Begriff "Sensordaten" ist nicht auf Daten begrenzt, die unmittelbar auf einem Messverfahren des Sensors basieren. So können die Sensordaten zum Beispiel neben Sensormesswerten auch Positionsangaben des Sensors, Zeit- und Datumsangaben umfassen.
  • Unter schienengebundenen Fahrzeugen sind alle Fahrzeuge zu verstehen, die auf dem Schienennetz verkehren können, wie beispielsweise Züge mit einer Lokomotive und Zugswagen, Treibzüge oder Rangierfahrzeuge.
  • Der Begriff "Streckenelemente" umfasst schaltbare Elemente, die für den Betrieb des Schienennetzes und schienengebundenen Fahrzeugen benötigt werden. Streckenelemente umfassen vorzugsweise bewegbare im Bereich der Schienen verwendete Elemente, besonders bevorzugt schaltbare Weichen, schaltbare Gleissperren.
  • Das erfindungsgemässe Zugleitsystem bietet den Vorteil, dass die Strecke nicht nur vom fahrenden Zug aus überwacht wird, sondern dass das Schienennetz durch die ortsfesten visuellen Sensoren überwacht werden kann. Dabei sind mittels der ortsfesten visuellen Sensoren das Schienennetz, die Streckenelemente und die schienengebundenen Fahrzeuge beobachtbar. Im Vergleich zu bekannten Sensoren von Zugleitsystemen wird nicht nur ein Zustand, wie beispielsweise der Zustand eines Signals, ein Abstand oder eine Weichenstellung gemessen. Vorliegend können das Teilschienennetz, die Streckenelemente und die schienengebundenen Fahrzeuge beobachtet werden, so dass präzise Informationen über den beobachteten Bereich vorliegen. Diese Überwachungsmöglichkeiten mittels der ortsfesten visuellen Sensoren ermöglichen eine präzise Erfassung eines Ereignisses samt dem vorherigen Hergang, der zum Ereignis geführt hat und allenfalls auch eine Abschätzung wie sich das Ereignis künftig entwickeln oder auswirken wird. Vorzugsweise wird mit den Sensoren das gesamte Teilschienennetz überwacht. Alternativ können auch einzelne Streckenabschnitte des Teilschienennetzes ausgelassen werden.
  • Das ermöglicht ein genaues Bild des Zustandes des Schienennetzes, der Streckenelemente und der schienengebundenen Fahrzeugen zu erfassen. Dadurch ist beispielsweise nicht nur erfassbar, ob eine Strecke blockiert ist, sondern welches Objekt die Strecke blockiert, worauf geeignete Massnahmen getroffen werden können. Durch die visuellen Sensoren ist nicht nur bekannt, wenn beispielsweise eine Weichenstörung vorliegt, sondern was die Störung verursacht hat und in welcher Lage sich die Weiche befindet. Damit können Störungen auf dem Teilschienennetz nicht nur präzise erfasst werden, sondern die Störungen können auch gezielt und effizient behoben werden.
  • Dieses umfassende Beobachten mit den visuellen Sensoren erlaubt gezielt Massnahmen einzuleiten. Das erhöht die Sicherheit, ermöglicht eine höhere Betriebszuverlässigkeit und verbessert dadurch die Pünktlichkeit der schienengebundenen Fahrzeuge. Des Weiteren wird mit dem erfindungsgemässen Zugleitsystem ein dichterer Fahrplan der schienengebundenen Fahrzeuge ermöglicht. Das ermöglicht eine Leistungssteigerung des Teilschienennetzes. Der Betrieb der schienengebundenen Fahrzeuge auf dem Teilschienennetz kann daher erheblich effizienter und sicherer gestaltet werden als mit Sensoren die in bekannten Zugleitsystemen verwendet werden.
  • Da die ortsfesten visuellen Sensoren Sensordaten zur zentralen Kontrolleinrichtung senden und die zentrale Kontrolleinrichtung zudem in Datenverbindung mit Streckenelementen wie beispielsweise Weichen steht, kann die zentrale Kontrolleinrichtung das Schienennetz gesamtheitlich überwachen und die Streckenelemente können zentral und gesamtheitlich unter Einbezug aller Informationen über das Streckennetz gesteuert werden. Die Position der schienengebundenen Fahrzeuge ist der zentralen Kontrolleinrichtung jederzeit bekannt. Mittels der in der zentralen Kontrolleinrichtung verarbeiteten Informationen kann somit eine gesamtheitliche Sicht mit dem Zustand des Schienennetzes, den Zuständen der Streckenelementen und den Zuständen und kinematischen Grössen der schienengebundenen Fahrzeugen erstellt werden. Diese ganzheitliche Überwachung durch die zentrale Kontrolleinrichtung ermöglicht Konfliktsituationen in Echtzeit zu erkennen und auch aufzulösen. Eine solche ganzheitliche Sicht auf ein Schienennetz mit allen überwachten Elementen und die Möglichkeit die Streckenelemente von einer zentralen Kontrolleinrichtung aus zu steuern, ist mit aus dem Stand der Technik bekannten Zugleitsystemen, welche Sensoren umfassen, die sich auf den schienengebundenen Fahrzeugen befinden und welche mehrere dezentralen Stellwerke aufweisen, nicht möglich.
  • Vorzugsweise umfasst das Zugleitsystem zur Datenerfassung ausschliesslich die ortsfesten visuellen Sensoren. Die zentrale Kontrolleinrichtung ist von herkömmlichen Elementen wie Stellwerke, Achsenzähler, Gleisfreimelder, lokale Streckenzentralen unabhängig und benötigt keine Verbindung zu diesen, da die zentrale Kontrolleinrichtung die Sensordaten von den ortsfesten visuellen Sensoren erhält. Dadurch kann auf die vielen dezentralen Stellwerke verzichtet werden. Es werden keine physisch definierten Blockstellen, keine "Radio Block Center", keine Achszähler, keine Balisen und keine Gleisfreimelder benötigt. Dadurch fallen die Aufwände für die Inbetriebnahme und den Unterhalt solcher Elemente weg. Der Unterhalt des Schienennetzes wird dadurch sehr viel einfacher. Das reduziert die Betriebskosten erheblich.
  • Alternativ können weitere Daten erfassende Elemente, wie beispielsweise Achszähler, vorgesehen sein, insbesondere zur Gegenprüfung der von den Sensoren erhaltenen Daten.
  • Die zentrale Kontrolleinrichtung kennt anhand der Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren beispielsweise die Position und die Geschwindigkeit der schienengebundenen Fahrzeuge. Vorzugsweise beinhaltet die Kontrolleinrichtung auch Fahrpläne und Streckendaten. Falls die zentrale Kontrolleinrichtung solche Angaben kennt, kann die Kontrolleinrichtung nicht nur Position und Geschwindigkeit sondern auch das Ziel des schienengebundenen Fahrzeuges erfassen. Dadurch kann die zentrale Kontrolleinrichtung die Streckenelemente so steuern, dass das Schienennetz besonders effizient betrieben werden kann.
  • Bevorzugt optimiert die zentrale Kontrolleinrichtung die Zugfolge und ermöglicht dadurch eine bessere Ausnutzung des Schienennetzes. Die Kontrolleinrichtung schlägt dem Kontrollpersonal beispielsweise ein alternatives Gleis bei einem Halt im Bahnhof vor oder koordiniert Umleitungen von schienengebundenen Fahrzeugen bei unvorhergesehenen Ereignissen.
  • Vorzugsweise steuert die zentrale Kontrolleinrichtung die Weichen und die Bahnübergänge, Wartet auf die Abfahrtsquittung und akzeptiert die Abfahrtsquittung für jeden Halt eines schienengebundenen Fahrzeuges im Schienennetz. Bevorzugt macht die zentrale Kontrolleinrichtung dem Bahnpersonal Vorschläge oder informiert das Bahnpersonal bei besonderen Vorkommnissen. Des Weiteren informiert die Kontrolleinrichtung das Bahnpersonal, wenn beispielsweise keine Möglichkeit besteht, die Fahrt eines schienengebundenen Fahrzeuges durchzuführen oder bei Änderung der Ankunfts- und Abfahrtszeiten. Vorzugsweise fragt die zentrale Kontrolleinrichtung das Bahnpersonal nach den Prioritäten für die Strategie bei mehreren Möglichkeiten.
  • Falls durch eine einmalige Eingabe die Spezifikationen der schienengebundenen Fahrzeuge der zentralen Kontrolleinrichtung bekannt sind, kann diese unter Einbezug dieser Daten sicherheitsrelevante Grössen wie beispielsweise der Bremsweg des Zuges berechnen. Die zentrale Kontrolleinrichtung kann die Streckenelemente derart ansteuern, dass das entsprechende schienengebundene Fahrzeug rechtzeitig gebremst wird. Das erhöht weiter die Sicherheit des Bahnbetriebs.
  • Vorzugsweise ist die Topologie des Schienennetzes bekannt und wird bei der Überwachung des Schienennetzes und der Steuerung der Streckenelemente durch die zentrale Kontrolleinrichtung miteinbezogen. Bevorzugt wird das gesamte zu überwachende Schienennetz mit einem schienengebundenen Fahrzeug abgefahren um die Topologie des Schienennetzes mit Sensoren zu erfassen.
  • Vorzugsweise erkennen die ortsfesten visuellen Sensoren Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des vorbeifahrenden schienengebundenen Fahrzeuges. Die visuellen Sensoren senden die aufgezeichneten Sensordaten, welche vorzugsweise Zeit und Ortsangaben enthalten, an die zentrale Kontrolleinrichtung. Diese kann anhand der Sensordaten die Geschwindigkeit des Zuges exakt erfassen. Vorzugsweise können die visuellen Sensoren auch Menschen erfassen, die sich im Bereich des Schienennetzes aufhalten, beispielsweise bei einer Schienenbaustelle. Personen können zum Beispiel mit QR-Code, beispielsweise auf der Jacke, versehen sein, womit das Zugleitsystem auch Personen nach deren Funktion unterscheiden kann. Dadurch wird eine umfassende Überwachung ermöglicht. Das erhöht die Sicherheit. Da die visuellen Sensoren die Strecke vorzugsweise kontinuierliche überwachen, kann das schienengebundene Fahrzeug auch an unüberschaubaren Bereichen der Strecke anhalten ohne dabei ein Sicherheitsrisiko einzugehen.
  • Bevorzugt können anhand der Sensordaten der visuellen Sensoren Ereignisse auf dem überwachten Schienennetz protokolliert werden. Dadurch sind Ereignisse in der Vergangenheit nachvollziehbar, die Daten können als Information, Beweis und als Basis für Auswertungen dienen.
  • Bei Bedarf kann das erfindungsgemässe Zugleitsystem den Bahnbetrieb weitgehend automatisch steuern. Das ermöglicht einen effizienten Bahnbetrieb und erlaubt Bahnpersonal einzusparen. Dadurch können die Kosten für den Bahnbetrieb zu reduziert werden.
  • Vorzugsweise verwaltet die Kontrolleinrichtung zudem Ressourcen wie Gleis, Bahnsteig, Ausweichgeleise, Abstellgeleise mit maschineller Intelligenz. Das erlaubt eine effiziente Verwaltung dieser Ressourcen.
  • Vorzugsweise ist die zentrale Kontrolleinrichtung redundant ausgeführt. Das reduziert das Risiko eines kompletten Ausfalls der zentralen Kontrolleinrichtung und ermöglicht einen zuverlässigen Bahnbetrieb. Besonders bevorzugt arbeiten mehrere, insbesondere drei Kontrolleinrichtungen redundant nebeneinander, wobei die Kontrolleinrichtungen sich gegenseitig überprüfen. Dadurch wird das Risiko eines Ausfalls der zentralen Kontrolleinrichtung weiter reduziert.
  • Bevorzugt umfasst die zentrale Kontrolleinrichtung eine graphische Darstellung des Schienennetzes mit schienengebundenen Fahrzeugen. Dadurch können die schienengebundenen Fahrzeuge auf dem Schienennetz in Echtzeit übersichtlich dargestellt werden. Je nach Betriebsart lassen sich bevorzugt der Bremsweg, der Durchrutschweg, die genehmigte Rückfahrstrecke und alle anderen Informationen über die schienengebundenen Fahrzeuge in Echtzeit graphisch darstellen. Vorzugsweise sind alle Bewegungen der schienengebundenen Fahrzeugen, insbesondere auch einzelne Wagen, innerhalb eines definierten Bereiches sichtbar. Mit Vorteil lassen sich auch Stellungen der Streckenelemente, insbesondere die Weichenstellung in Echtzeit darstellen. Diese Darstellungen erleichtern den Überblick für das Kontrollpersonal in der zentralen Kontrolleinrichtung und machen eine effiziente und sichere Steuerung der Streckenelemente möglich.
  • Vorzugsweise umfasst das Zugleitsystem Sicherheitselemente, insbesondere Bahnschranken, und die ortsfesten visuellen Sensoren sind derart angeordnet, dass die Sicherheitselemente überwachbar und steuerbar sind. Dadurch kann die Stellung der Sicherheitselemente, beispielsweise die Stellung der Bahnschranke, laufend und in Echtzeit überwacht werden. Zudem ist damit überwachbar in welchem Zustand sich die Sicherheitselemente befinden und ob sie korrekt funktionieren. Dadurch kann beispielsweise ein Alarmsignal ausgegeben werden, wenn ein Sicherheitselement nicht korrekt funktioniert oder nicht rechtzeitig funktioniert. Das erhöht die Sicherheit für den Bahnbetrieb. Durch die Überwachung der Bahngleise kann eine Bahnschranke zeitnaher zur Durchfahrt des Zuges geschlossen werden, womit auch der Strassenverkehr flüssiger und damit effizienter gehalten werden kann.
  • Dabei umfassen die Sicherheitselemente nicht nur Bahnschranken und Barrieren, sondern beinhalten alle Elemente die für den sicheren Bahnbetrieb nötig sind wie schaltbare Schranken und schaltbare Abfahrtssperrungen für die schienengebundenen Fahrzeuge.
  • Vorzugsweise überwachen die visuellen Sensoren neben den Sicherheitselementen auch die Umgebung im Bereich der Sicherheitselemente. Dadurch kann mittels der visuellen Sensoren beispielsweise erfasst werden, ob der Bahnübergang frei ist, ob sich ein Objekt vor oder auf dem Bahnübergang befindet oder ob sich ein Objekt dem Bahnübergang nähert. Zudem sind durch diese Anordnung der visuellen Sensoren Sensordaten in Echtzeit vom Bereich des Sicherheitselements verfügbar. Daher sind beispielsweise Echtzeitbilder vom Bereich eines Bahnübergangs in der zentralen Kontrolleinrichtung verfügbar.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die visuellen Sensoren keine Sicherheitselemente erfassen. In diesem Fall können die Sicherheitselemente auf eine andere Weise erfasst werden.
  • Bevorzugt steht die zentrale Kontrolleinrichtung in Verbindung mit den streckengebundenen Fahrzeugen im Teilschienennetz und die schienengebundenen Fahrzeuge sind durch die zentrale Kontrolleinrichtung überwachbar und steuerbar.
  • Dadurch ist der Betrieb der schienengebundenen Fahrzeuge zentral koordinierbar. Das erlaubt, die schienengebundenen Fahrzeuge auf dem Schienennetz effizient einzusetzen. Zudem kann die zentrale Kontrolleinrichtung Anweisungen und Informationen an die schienengebundenen Fahrzeuge senden. Solche Informationen können beispielsweise Fahrplanänderungen, Informationen zu anderen schienengebundenen Fahrzeugen, Informationen über den Zustand des Schienennetzes, Informationen über die Anzahl Bahnpassagiere, Sicherheitsinformationen oder dergleichen umfassen. Dadurch kann der Betrieb effizienter gestaltet werden und die Sicherheit wird erhöht. Das Zugpersonal des schienengebundenen Fahrzeuges kann dynamisch auf Ereignisse reagieren. Beispielsweise kann die zentrale Kontrolleinrichtung laufend Fahrtanweisungen wie beispielsweise Einfahrtsfreigaben für Bahnhöfe, Abfahrtsfreigaben, Haltebefehle oder Geschwindigkeitsvorgaben je nach Streckenverhältnissen an die schienengebundenen Fahrzeuge senden. Dadurch werden auf dem Teilschienennetz keine Signale mehr benötigt. Das spart Wartungs- und Unterhaltskosten.
  • Des Weiteren kann die zentrale Kontrolleinrichtung die schienengebundenen Fahrzeuge auch vorzugsweise direkt beeinflussen, beispielsweise die Geschwindigkeit reduzieren oder eine Notbremsung veranlassen. Das erhöht weiter die Sicherheit des Bahnbetriebes.
  • Zudem sind bevorzugt auch Informationen vom schienengebundenen Fahrzeug an die Kontrolleinrichtung übertragbar, insbesondere Informationen über den Zustand und die Bewegung des schienengebundenen Fahrzeuges.
  • Die Verbindung zwischen dem schienengebundenen Fahrzeug und der Kontrolleinrichtung ermöglicht eine rasche und dynamische Reaktion auf Ereignisse. Liegt beispielsweise ein Hindernis auf der Strecke, kann die zentrale Kontrolleinrichtung rechtzeitig eine Meldung an das schienengebundene Fahrzeug senden oder das schienengebundene Fahrzeug rechtzeitig durch Steuern einer Weiche umleiten, so dass das schienengebundene Fahrzeug nicht in den Gefahrenbereich fährt. Der Zugführer ist nicht nur auf die Sichtweite, die häufig kurzer ist als der Bremsweg des Zuges, angewiesen. Das erhöht die Sicherheit.
  • Falls die zentrale Kontrolleinrichtung laufend von den schienengebundenen Fahrzeugen Informationen wie zum Beispiel die Position, die Geschwindigkeit und den Zustandes der schienengebundenen Fahrzeuge erhält, kann die zentrale Kontrolleinrichtung die schienengebundenen Fahrzeuge präziser und sicherer steuern als bekannte dezentrale Stellwerke, die solche Information der schienengebundenen Fahrzeuge nicht kennen.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die schienengebundenen Fahrzeuge nicht durch die Kontrolleinrichtung steuerbar sind. In diesem Fall ist der Bahnbetrieb durch die zentrale Kontrolleinrichtung nur über die Streckenelemente steuerbar.
  • Vorzugsweise ist die zentrale Kontrolleinrichtung derart ausgebildet, dass mit der zentralen Kontrolleinrichtung unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten mehr als 70% der Sicherheits- und Streckenelemente, bevorzugt mehr als 90% der Sicherheits- und Streckenelemente des Schienennetzes, steuerbar sind. Dadurch können die schienengebundenen Fahrzeuge besonders effizient auf dem Schienennetz eingesetzt werden. So können durch die Steuerung der Streckenelemente durch die Kontrolleinrichtung die schienengebundenen Fahrzeuge in dichterer Folge auf einer Strecke betrieben werden. Das erhöht die Betriebseffizienz. Zudem kann die Sicherheit des Betriebs weiter erhöht werden.
  • Alternativ dazu können auch weniger als 70% der Sicherheits- und Streckenelemente des Schienennetzes durch die zentrale Kontrolleinrichtung gesteuert werden, insbesondere wenn bei einem Teilschienennetz, zum Beispiel in einer ersten Etappe, nur die Bereiche zwischen Bahnhöfen mit den visuellen Sensoren ausgestattet werden.
  • Vorzugsweise sind die ortsfesten Sensoren derart angeordnet und die Anzahl der visuellen Sensoren ist derart gewählt, dass die ortsfesten visuellen Sensoren mehr als 70% des Schienennetzes, vorzugsweise mehr als 80% des Schienennetzes, besonders bevorzugt mehr als 95% des Schienennetzes überwachen. Das erlaubt anhand der Sensordaten eine gesamtheitliche Sicht in der zentralen Kontrolleinrichtung. Durch die umfassende Abdeckung kann das Schienennetz zuverlässig überwacht werden und auf Ereignisse kann rechtzeitig reagiert werden. Auch das erhöht die Sicherheit für den Bahnbetrieb.
  • Alternativ können die visuellen Sensoren auch weniger als 70% des Schienennetzes überwachen. Der restliche Anteil des Schienennetzes kann dann beispielsweise mit aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren, Achszähler oder Näherungssensoren überwacht werden.
  • Mit Vorteil sind die ortsfesten Sensoren derart angeordnet, dass Objekte im Bereich des Teilschienennetzes überwachbar sind. Dadurch ist nicht nur erfassbar, ob ein schienengebundenes Fahrzeug einen Sensor passiert, sondern es kann auch dessen Integrität kontrolliert werden. Beispielsweise kann erfasst werden, wenn eine Ladung eines Güterwagens nicht richtig gesichert ist. Zudem kann mit den visuellen Sensoren beispielsweise laufend überprüft werden, ob ein Zug noch vollständig ist, das heisst, ob sich noch alle Zugwagen am Zug befinden. Diese Überwachungsmöglichkeiten mit den visuellen Sensoren erhöhen die Sicherheit des Bahnbetriebs.
  • Durch das Überwachen von Objekten im Bereich des Schienennetzes können auch mögliche Gefahren rechtzeitig erkannt werden und durch die zentrale Kontrolleinrichtung
  • Massnahmen getroffen werden. Beispielsweise können auf die Schiene zulaufende Tiere rechtzeitig erkannt werden. Das erhöht ebenfalls die Sicherheit.
  • Alternativ dazu können die Sensoren auch derart angeordnet sein, dass sie nur das Schienennetz überwachen.
  • Vorzugsweise umfassen die mindestens zwei ortsfesten visuellen Sensoren einen Radarsensor, eine Kamera oder beides. Beim Radarsensor kann es sich um einen beliebigen Sensor handeln, der mittels Funkwellen deren Frequenz unterhalb von 3000 GHz liegt, Objekte erfassen und/oder orten kann. Bei der Kamera kann es sich um eine beliebige Vorrichtung handeln, mit der Bilder erfasst werden können. Die Kamera kann beispielsweise eine Fotokamera, die einzelne Bilder aufnimmt, eine Filmkamera, die mehrere aufeinander folgende Bilder auf ein Medium speichert, oder eine Videokamera zur Aufnahme von Bildern in Form elektrischer Signale, sein.
  • Der Radarsensor bietet den Vorteil, dass auch bei schlechter Witterung und sehr schlechter Sicht, wie beispielsweise bei Nebel oder Schneefall oder in der Nacht, Objekte zuverlässig erfasst werden können. Die Kamera hat den Vorteil, dass jederzeit Bilder von der Strecke, von schienengebundenen Fahrzeugen auf der Strecke oder von einem sonstigen Objekt im Bereich der Schienen verfügbar sind. Im Unterschied zu bekannten Messsensoren liefern die Sensordaten der visuellen Sensoren genauere Informationen über einen Zustand oder ein Ereignis und eine mögliche zukünftige Entwicklung von Ereignissen.
  • Vorzugsweise umfassen die visuellen Sensoren mindestens eine Stereokamera mit Infrarotbeleuchtung, mindestens einen Radarsensor und zusätzlich mindestens einen Ultraschallsensor. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mit der Kamera sowohl Bilder mit vielen Informationen und mit dem Radarsensor und dem Ultraschallsensor bei schlechter Witterung und schlechten Sichtverhältnissen Objekte zuverlässig erfasst werden können.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die visuellen Sensoren nur einen Radarsensor oder nur eine Kamera umfassen.
  • Bevorzugt stehen die ortsfesten visuellen Sensoren mit den schienengebundenen Fahrzeugen in Datenverbindung. Dadurch können die schienengebundenen Fahrzeuge zusätzlich zu den Informationen von der zentralen Kontrolleinrichtung auch direkt Informationen von den ortsfesten visuellen Sensoren empfangen. Dadurch können redundante Informationen zum schienengebundenen Fahrzeug übertragen werden, was die Sicherheit erhöht. Zudem besteht die Möglichkeit, dass das Zugpersonal des schienengebundenen Fahrzeugs dynamisch Sensorinformationen von den ortsfesten Sensoren anfordern kann, die nicht zuerst über die zentrale Kontrolleinrichtung übermittelt werden müssen. So kann zum Beispiel für den Zugführer auf einem Bildschirm einen jeweils in Fahrtrichtung noch nicht sichtbaren Bereich auf einem Bildschirm dargestellt werden.
  • Vorzugsweise stehen die ortsfesten visuellen Sensoren in drahtloser Verbindung mit den schienengebundenen Fahrzeugen. Das erlaubt eine einfach Montage und Inbetriebnahme ohne Verkabelung.
  • Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die schienengebundenen Fahrzeuge nicht in Datenverbindung mit den ortsfesten Sensoren stehen und somit alle Informationen über die zentrale Kontrolleinrichtung übermittelt werden. Eine Datenverbindung muss auch nicht zwingend drahtlos sein.
  • Vorzugsweise sind die ortsfesten Sensoren derart angeordnet, dass sich die Überwachungsbereiche überlappen. Damit können die erfassten Daten dreidimensional verarbeitet werden, womit insbesondere auch ein Ort eines Gegenstands oder einer Person, sowie eine exakte Bewegungsrichtung bestimmt werden kann.
  • Alternativ kann auf die Überlappung auch verzichtet werden. Die dreidimensionale Erfassung des Erfassungsbereichs kann auch mit Stereokameras oder dergleichen erreicht werden.
  • Vorzugsweise sind die ortsfesten Sensoren derart angeordnet, dass mindestens ein Teilschienennetz durch die ortsfesten visuellen Sensoren vorzugsweise kontinuierlich in bevorzugt zwei Fahrtrichtungen des schienengebundenen Fahrzeuges überwachbar ist und dadurch mit den ortsfesten visuellen Sensoren insbesondere redundanten Sensordaten des Teilschienennetzes erfassbar sind. Vorzugsweise entsprechen die zwei Fahrtrichtungen einander entgegengesetzten Richtungen. Durch die redundante Erfassung lassen sich die Sensordaten auf Plausibilität überprüfen. Das erhöht die Sicherheit.
  • Alternativ können die ortsfesten visuellen Sensoren auch so angeordnet sein, dass das Teilschienennetz nur in eine Richtung überwachbar ist.
  • Vorzugsweise umfassen die ortsfesten visuellen Sensoren jeweils ein vorzugsweise lernfähiges Computerprogramm, womit aus den erfassten Sensordaten Ereignisse abstrahierbar sind. Vorzugsweise läuft das Computerprogramm auf einer Rechnereinheit, welche dem spezifischen visuellen Sensor zugeordnet ist. Das Ereignis umfasst beispielsweise einen sicherheitsrelevanten Zustand, beispielsweise wenn sich ein Objekt auf der Schiene befindet, ein schienengebundenes Fahrzeug zu schnell fährt oder wenn ein Sicherheitselement nicht richtig funktioniert, beispielsweise wenn sich eine Bahnschranke nicht vollständig schliessen lässt.
  • Durch das Computerprogramm besteht die Möglichkeit, dass bereits beim Sensor eine Auswahl der aufgezeichneten Sensordaten getroffen werden kann. Somit können zu bestimmten, abstrahierten Ereignissen weitere Sensordaten aufgezeichnet werden oder die abstrahierten Ereignisse können weiterverarbeitet werden. Das erlaubt eine effiziente und dynamische Nutzung der ortsfesten Sensoren.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die visuellen Sensoren kein Computerprogramm aufweisen, mit dem Ereignisse abstrahierbar sind. In diesem Fall können die Daten der visuellen Sensoren zentral in der Kontrolleinrichtung verarbeitet und abstrahiert werden.
  • Bevorzugt ist das Computerprogramm der ortsfesten Sensoren derart ausgebildet, dass eine Ereignismeldung an die zentrale Kontrolleinrichtung gesendet werden kann, sofern ein abstrahiertes Ereignis der Sensordaten mit einem Ereignis aus einer Anzahl vorbestimmten Ereignissen übereinstimmt.
  • Ein vorbestimmtes Ereignis kann beispielsweise die Einhaltung eines vorgegebenen Lichtraumprofils für das schienengebundene Fahrzeug umfassen. Das heisst, wenn beispielsweise ein Ast oder sonstiger Gegenstand in das vordefinierte Lichtraumprofil der Strecke ragt und dadurch das schienengebundene Fahrzeug an der Durchfahrt behindern würde, erkennt das Computerprogramm dies und sendet eine Ereignismeldung an die zentrale Kontrolleinrichtung. Die Information kann mit relativ geringem Gehalt festhalten, dass die Durchfahrt behindert ist, oder aber auch die Grösse und Position des Objekts oder eine Identifikation des Objekts, z.B. "Auto auf Geleis, Koordinaten X, Y, Z" etc. umfassen. Das vorbestimmte Ereignis kann beispielsweise aber auch das Überschreiten einer Maximalgeschwindigkeit des schienengebundenen Fahrzeuges oder einen bestimmten Zustand eines Bahnübergangs oder eine bestimmte Weichenstellung einer Weiche umfassen.
  • Der Vergleich eines Ereignisses mit vorbestimmten Ereignissen ermöglicht, nur ausgewählte Ereignisse zur zentralen Kontrolleinrichtung zu senden. Dadurch können die zu übermittelnden Daten markant reduziert werden. Die Datenverbindung zwischen den ortsfesten Sensoren und der zentralen Kontrolleinrichtung wird damit nicht unnötig belastet. Zudem kann die Menge der in der zentralen Kontrolleinrichtung zu verarbeitenden Sensordaten stark reduziert werden. Dadurch wird eine schnelle und zuverlässige Verarbeitung der Sensordaten in der zentralen Kontrolleinrichtung ermöglicht.
  • Alternativ dazu können die ortsfesten Sensoren auch so ausgebildet sein, dass alle erfassten Ereignisse oder alle erfassten Sensordaten zur zentralen Kontrolleinrichtung gesandt werden.
  • Vorzugsweise umfasst die zentrale Kontrolleinrichtung ein Computerprogramm zum zentralen Verarbeiten der Ereignismeldungen der ortsfesten visuellen Sensoren. Dadurch können die Ereignismeldungen speditiv zentral verarbeitet werden. Das Kontrollpersonal der zentralen Kontrolleinrichtung muss den Ablauf nur überwachen und muss nur ausserordentliche Situationen bearbeiten. Unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren kann das Computerprogramm die Sicherheits- und Streckenelemente sowie allenfalls die schienengebundenen Fahrzeuge überwachen und steuern. Das Computerprogramm kann dabei auf einem einzelnen Rechner der Kontrolleinrichtung laufen oder auf mehrere zur zentralen Kontrolleinrichtung gehörende Rechner verteilt sein. Zudem ist unerheblich, ob das Computerprogramm als eine Einheit ausgestaltet ist oder ob mehrere einzelne Programme das Computerprogramm zum zentralen Verarbeiten der Ereignismeldungen bilden.
  • Bevorzugt analysiert das Computerprogramm die erhaltenen Ereignismeldungen um beispielsweise eine Klassierung der Ereignismeldungen vorzunehmen und leitet anschliessend dem Ereignis entsprechende vordefinierte Massnahmen ein oder informiert das Kontrollpersonal der zentralen Kontrolleinrichtung. Solche Massnahmen können beispielsweise das Schalten einer Weiche, das Umleiten eines schienengebundenen Fahrzeuges, das Bremsen oder Anhalten eines schienengebundenen Fahrzeuges, das Öffnen oder das Schliessen einer Barriere und dergleichen umfassen.
  • Vorzugsweise verarbeitet das Computerprogramm neben den Sensordaten noch weitere Daten wie beispielsweise Fahrpläne von Zügen und Abfahrtsfreigaben von Bahnhofstationen. Vorzugsweise kann das Computerprogramm die schienengebundenen Fahrzeuge autonom überwachen und steuern. Dadurch kann das Kontrollpersonal entlastet werden. Zudem können Personalkosten eingespart werden.
  • Alternativ dazu können die in der zentralen Kontrolleinrichtung empfangenen Sensordaten auch manuell durch eine Person durchgesehen, ausgewählt und weiterverarbeitet werden.
  • Vorzugsweise ist die Datenverbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung und den ortsfesten visuellen Sensoren und die Datenverbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung und den Streckenelementen eine drahtlose Datenverbindung. Vorzugsweise ist auch die Datenverbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung und den Sicherheitselementen eine drahtlose Datenverbindung. Das erleichtert die Montage, Inbetriebnahme und den Unterhalt der ortsfesten Sensoren und den Sicherheits- und Streckenelementen, da eine Verkabelung entfällt.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass es sich bei der Datenverbindung um eine drahtgebundene Verbindung handelt.
  • Bevorzugt umfasst das Zugleitsystem ein drahtloses Kommunikationsnetz, an dem die ortsfesten Sensoren, die Strecken- und Sicherheitselemente, die schienengebundenen Fahrzeuge und die zentrale Kontrolleinrichtung angeschlossen sind. Das ermöglicht eine leistungsfähige und zuverlässige Kommunikation. Vorzugsweise handelt es sich beim Kommunikationsnetz um ein Weitverkehrsfunknetz, ein "Wireless Wide Area Network" (WWAN). Beispiele eines WWAN sind Funknetze wie LTE, WiMAX, GSM und UMTS.
  • Vorzugsweise umfasst das Kommunikationsnetz, ein zweites redundantes drahtloses Netz, insbesondere ein lokales Mobilfunknetz. Dadurch wird die Datenverbindung auch bei Ausfall des ersten Netzes sichergestellt.
  • Vorzugsweise ist die Position der ortsfesten visuellen Sensoren jeweils mittels einer Ortungsvorrichtung bestimmbar damit die Position der ortsfesten visuellen Sensoren mittels eines Senders an die zentrale Kontrolleinrichtung gesendet werden kann. Dadurch ist in der zentralen Kontrolleinrichtung jederzeit bekannt, von wo die Sensordaten stammen. Zudem erlaubt die Positionsangabe der ortsfesten visuellen Sensoren eine einfache und zuverlässige Bestimmung von kinematischen Grössen wie Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung, der schienengebundenen Fahrzeuge.
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die visuellen Sensoren keine Ortungsvorrichtung umfassen.
  • Vorzugsweise beinhalten die ortsfesten visuellen Sensoren eine Warneinrichtung, die akustische oder visuelle Warnsignale aussenden kann. Dadurch können Personen, die sich in der Nähe eines ortsfesten visuellen Sensors befinden, bei einer Gefahr gewarnt werden. Zudem können mittels der Warneinrichtung beispielsweise Kollisionen zwischen schienengebundenen Fahrzeugen und Objekten auf der Schiene oder Kollisionen zwischen Strassenfahrzeugen und schienengebundenen Fahrzeugen bei einem Bahnübergang vermieden werden
  • Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die visuellen Sensoren keine Warneinrichtung umfassen.
  • Vorzugsweise umfassen die ortsfesten visuellen Sensoren zwei redundante Energiespeisungen. Zudem umfassen die ortsfesten Sensoren bevorzugt je einen Energiespeicher. Die redundante Energiespeisung stellt eine lückenlose Stromversorgung des ortsfesten Sensors sicher. Dadurch wird das Risiko vermindert, dass ein Sensor komplett ausfällt.
  • Vorzugsweise ist die Kontrolleinrichtung dazu ausgebildet, Informationen zu verarbeiten, wobei diese Informationen mindestens eine Information umfasst, wie der Zustand des Sensors, die Topografie des Teilschienennetzes, den Zustand des Teilschienennetzes, Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren, die Position der Sicherheits- und Streckenelemente, Daten der Sicherheits- und Streckenelemente, Anweisungen von Bahnpersonal auf der Bahnstrecke oder in Bahnhöfen sowie Daten der schienengebundenen Fahrzeuge (800).
  • Informationen über den Zustand des Teilschienennetzes können beispielsweise Angaben über ein Objekt, welches sich auf der Schiene befindet oder den Zustand der Geleise, insbesondere Beschädigungen der Geleise, umfassen. Daten der Sicherheits- und Streckenelemente können Informationen wie die Stellung der Weiche oder die Stellung einer Barriere sein. Anweisungen vom Bahnpersonal können beispielsweise die Abfahrtsfreigabe für einen Zug, eine Fehlermeldung für einen Zug oder dergleichen sein. Daten der schienengebundenen Fahrzeuge können beispielsweise deren Position, Beschleunigung oder Geschwindigkeit oder Informationen über Gewicht, Länge oder Zustand des Zuges umfassen.
  • Die Erfindung betrifft weiter eine Kontrolleinrichtung für ein Zugleitsystem, insbesondere für ein Zugleitsystem wie oben beschrieben, wobei die Kontrolleinrichtung ortsfest und zentral angeordnet ist und die zentrale Kontrolleinrichtung mit ortsfesten visuellen Sensoren in Datenverbindung steht, die ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung dazu ausgebildet ist, Sensordaten von den visuellen Sensoren zu empfangen und zu verarbeiten und wobei die Kontrolleinrichtung derart ausgebildet ist, dass unter Einbezug der in der Kontrolleinrichtung verarbeiteten Sensordaten mindestens zwei Streckenelemente, vorzugsweise zwei Weichen, gesteuert werden können.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes eines Schienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen auf diesem Teilschienennetz sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen, insbesondere Weichen, des Teilschienennetzes mittels Zugleitsystem, insbesondere einem Zugleitsystem wie oben beschrieben, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erfassen von Sensordaten mit ortsfesten visuellen Sensoren, Senden der Sensordaten der visuellen Sensoren an eine ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung, Empfangen und Verarbeiten der Sensordaten in der ortsfesten zentralen Kontrolleinrichtung. Dabei beeinflusst die zentrale Kontrolleinrichtung unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten die mindestens zwei Streckenelemente in dem mindestens einen Teilschienennetz.
  • Vorzugsweise sendet die Kontrolleinrichtung unter Einbezug der ausgewählten Ereignisinformationen Anweisungen an einen oder mehrere der folgenden Empfänger:
    1. a. Sicherheitselemente,
    2. b. Streckenelemente,
    3. c. schienengebundenen Fahrzeuge.
  • Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Übersicht der Elemente und die Verbindungen der Elemente untereinander des erfindungsgemässen Zugleitsystems,
    Fig. 2a - 2c
    eine Darstellung von Befestigungsmöglichkeiten der ortsfesten visuellen Sensoren,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines visuellen Sensors,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung der Anordnung der ortsfesten visuellen Sensoren zum Beobachten eines Schienenabschnitts,
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung der Kommunikationsnetze des Zugleitsystems,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung des Aufbaus des "Traffic Control Center",
    Fig. 7
    eine schematische Darstellung eines Bordgeräts eines Zuges.
  • Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Die schematische Darstellung in Figur 1 gibt einen Überblick der Elemente des erfindungsgemässen Zugleitsystems 100 zum Überwachen eines Schienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen wie beispielsweise Zügen oder Triebfahrzeugen 800 wie Triebzüge, Lokomotiven und Rangierfahrzeuge auf dem Schienennetz. Das Zugleitsystem 100 dient weiter zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen wie beispielsweise Weichen 400 oder Sicherheitselementen wie Barrieren 600 eines Bahnübergangs.
  • Das Zugleitsystem 100 umfasst einen als zentrale Kontrolleinrichtung funktionierenden "Traffic Control Center" (TCC) 200, ortsfesten visuellen Sensor 500 und Befehlsgeber 450 an Weichen 400 und Befehlsgeber 650 an Barrieren 600.
  • Der Kern des Zugleitsystems bildet das TCC 200. Dieses ist ortsfest und zentral angeordnet. Die ortsfesten visuellen Sensoren 500, die Befehlsgeber 450, 650 für Weichen 400 und Barrieren 600 sowie Bordgeräte (OBU) 900 auf den Triebfahrzeugen 800 sind dezentral angeordnet. Das TCC 200 steht in drahtloser Datenverbindung mit den visuellen Sensoren 500, den Befehlsgebern 450, 650 und den Triebfahrzeugen 800. Dabei erfolgen die Datenverbindungen über ein "Wireless wide area network" (WWAN). Die Datenverbindungen sind in Figur 1 mit gestrichelten Linien dargestellt.
  • Die ortsfesten visuellen Sensoren 500 sind entlang allen Strecken 700 des Schienennetzes angeordnet, bei Weichen 400 und bei Barrieren 600 bei einem Bahnübergang. Jede Weiche 400 und jede Barriere 600 umfasst einen Befehlsgeber 450, 650. Das TCC 200 umfasst drei redundante Rechner, die sich gegenseitig überwachen.
  • Mit sehr vielen ortsfesten visuellen Sensoren 500 wird das ganze Schienennetz eines Bahnunternehmens kontinuierlich beobachtet. Jeder Schienenabschnitt wird dabei aus den zwei Fahrtrichtungen redundant überwacht. Die visuellen Sensoren 500 umfassen Stereokameras, Ultraschall- und Radarsensoren und erkennen mittels intelligenter Software Ereignisse auf dem beobachteten Schienenabschnitt. Wichtige Ereignisse melden die visuellen Sensoren 500 drahtlos an das zentrale TCC 200. Im TCC 200 verarbeitet eine übergeordnete Sensorsoftware die Sensordaten der einzelnen visuellen Sensoren 500 und kombiniert die Sensordaten zu einer redundanzfreien Gesamtsicht. Ereignisse, die diese Gesamtsicht verändern, werden an eine "Traffic Control Software" im TCC 200 weiter gemeldet.
  • Die "Traffic Control Software" steuert direkt, basierend auf den erhaltenen Ereignissen der ortsfesten visuellen Sensoren 500, drahtlos durch die ortsfesten Befehlsgeber 450, 650 die Weichen 400 und Barrieren 600 und über drahtlose Kommunikationskanäle die Triebfahrzeuge 800. Das TCC 200 kennt Rahmenbedingungen wie Fahrpläne und Rangieraufträge und akzeptiert spontane Ergänzungen dazu. Mit Methoden, Algorithmen und künstlicher Intelligenz werden die Züge entsprechend den Fahrplänen und den Abfahrtsfreigaben an den Halteorten über das Schienennetz gesteuert. Menschen behandeln nur ausserordentliche Situationen mit Anweisungen an das TCC 200. Eine mehrschichtige Sicherheitssoftware im TCC und ein zentrales Rechnersystem, welches den Sicherheits-Integritätslevel 4 (SIL 4) entspricht, garantieren hohe Redundanz und SIL 4. Das gesamte Schienennetz mit allen Aktivitäten ist im TCC 200 grafisch auf Bildschirmen oder Bildschirmwänden im gewünschten Massstab darstellbar.
  • Die visuellen Sensoren 500, die Befehlsgeber 450, 650 und das TCC 200 ersetzen zu niedrigen Kosten komplett die extrem teuren dezentralen Stellwerke als Innenanlagen mit den dazu gehörenden Aussenanlagen wie Gleisfreimelder, Achszähler, Signale und deren Verkabelung. Nachfolgend werden die einzelnen Elemente des Zugleitsystems 100 näher beschrieben.
    • Visuelle Sensoren
  • Der visuelle Sensor 500 umfasst zwei Stereokameras mit Infrarot-LED zur Beleuchtung, zwei Dopplerradare, drei Ultraschallsensoren und je nach Ausführung auch LiDAR (Light detection and ranging) sowie je einen Rauch- und Temperatursensor. Die Kameras und Sensoren sind in einem allwettertauglichen, temperierten Gehäuse untergebracht. Der visuelle Sensor 500 umfasst zudem eine Software zum Erkennen von vorbestimmten Ereignissen, einen Empfänger und einen Sender zum Empfangen und Senden von Daten.
  • Im überwachten Schienennetz sind tausende von visuellen Sensoren 500 am Streckenrand, bei Weichen 400, bei Barrieren 600 und bei Bahnhöfen angeordnet. Die visuellen Sensoren 500 können Rollmaterial von anderen Objekten unterscheiden und erkennen den Anfang und das Ende eines Zuges. Des Weiteren messen die visuellen Sensoren 500 die Position und die Geschwindigkeit der Züge und berechnen anhand mehreren Geschwindigkeitsmessungen die Beschleunigung des Zuges. Alle 1 - 3 Sekunden senden die visuellen Sensoren 500 diese Informationen mit einem Zeitstempel ("time stamp") über WWAN an das vorbeifahrende Triebfahrzeug 800 und an das TCC 200. Triebfahrzeug 800 und TCC 200 können anhand des Zeitstempels diese Informationen laufend extrapolieren. Damit ist eine zuverlässige Geschwindigkeitsmessung ermöglicht. Jedoch melden sich von den tausenden visuellen Sensoren 500 nur wenige zu einem bestimmten Zeitpunkt, da die visuellen Sensoren 500 nicht Bilder versendet, sondern nur analysierte Ereignisse an das TCC 200 oder an Triebfahrzeuge 800 weitergeben. So reagieren die visuellen Sensoren 500 beispielsweise nicht auf Hasen, Vögel, Laub oder Schnee. Jedoch können vom TCC 200 jederzeit Bilder der visuellen Sensoren 500 angefordert werden. Dadurch wird alles entlang der Schienen sichtbar. Weil die visuellen Sensoren 500 "sehen" können sie ausserordentliche Situationen und Ereignisse, wie beispielswese Gefahrensituationen oder einen Baustellenbetrieb intelligent behandeln. Die visuellen Sensoren 500 können auch bei Nebel und Schnee, Objekte und Ereignisse zuverlässig erfassen, was keinem Menschen, keiner Kamera und keinem Radarsystem möglich ist. Mittels der Rauch- und Temperatursensor erfassen die visuellen Sensoren 500 auch Rauch und die Temperatur, was insbesondere in Tunnels wichtig ist. Mit den visuellen Sensoren 500 kann die Länge eines Zuges überall erfasst und seine Integrität kontrolliert werden. Ausserdem kann die Beschleunigung eines Zuges präzise erfasst werden. Dadurch kann zum Beispiel abgeschätzt werden, wie sich eine Situation entwickelt.
  • Nachfolgend wird detailliert auf den Aufbau und die Anordnung der visuellen Sensoren 500 eingegangen.
  • Die visuellen Sensoren 500 überwachen im Schienennetz die freie Strecke wie auch die Bahnhöfe und alle Strecken- und Sicherheitselemente des Schienennetzes. Der Überwachungsbereich des visuellen Sensors 500 umfasst die Schienen mit dem Lichtraumprofil für die Züge und einer zusätzlichen Marge. Bei Bahnübergängen umfasst der Überwachungsbereich zusätzlich den Bahnübergang mit den Barrieren 600. Beim ersten Einschalten des visuellen Sensors 500 bestimmt dieser aufgrund seiner Position und Angaben aus einem Schienennetzabbild seinen Überwachungsbereich. Seine genaue Zeit erhält der visuelle Sensor 500 von einem integrierten GPS-Empfänger. Visuelle Sensoren 500 ohne GPS-Empfang verwenden Zeitmeldungen auf dem Kommunikationsnetzwerk.
  • Die Figuren 2a - 2c zeigen mögliche Anordnungen der visuellen Sensoren 500. Die visuellen Sensoren 500 werden in der Regel auf der linken Seite der Schienen in 3 m Höhe an einem Mast befestigt, im Normallfall an einem Fahrleitungsmast. Das Bahnunternehmen kann alternativ auch einheitliche Maste 560 nur für die visuellen Sensoren 500 einsetzen. In Figur 2a ist der visuelle Sensor 500 auf einem solchen Mast 560 angebracht. Am Mast 560 ist der visuelle Sensor 500 einfach auf verschiedenen Höhen, in der genauen Richtung anbringbar. Von Mast 560 zu Mast 560 kann eine Freileitung gezogen werden, was mindestens auf der Strecke kostengünstig ist. Figur 2b zeigt eine Befestigungsmöglichkeit des visuellen Sensors 500 in einem Tunnel 570 und in Figur 2c ist der visuelle Sensor 500 mit einer kurzen Halterung 581 an einem Bahnhofs- oder Unterstandsdach 580 befestigt.
  • Figur 4 zeigt schematisch die Anordnung der visuellen Sensoren 500 bei einem Streckenabschnitt 710, 720 des Schienennetzes. Ein erster visueller Sensor 500.1 weist einen ersten Überwachungsbereich 591 auf und beobachtet den Schienenabschnitt 710 in eine erste Fahrtrichtung, in der Darstellung in Figur 4 entspricht dies der Richtung von links nach rechts. Ein zweiter visueller Sensor 500.2 weist einen zweiten Überwachungsbereich 592 auf und beobachtet den Schienenabschnitt 710 in die zweite Fahrtrichtung 592, in Figur 4 entspricht dies der Richtung von rechts nach links. Die visuellen Sensoren 500.1, 500.2 erzeugen dadurch redundante Sensordaten. Der Schienenabschnitt 720 einer zweiten Schienenspur wird ebenfalls mit zwei visuellen Sensoren 500.3, 500.4 mit je einem Überwachungsbereich 593, 594 in beide Fahrtrichtungen beobachtet. Die visuellen Sensoren 500 beobachten je nach Situation einen Bereich von 50 m bis 300 m je Fahrtrichtung. Ein visueller Sensor 500 kann eine Situation nur in seinem Überwachungsbereich beschreiben. Eine Sensorsoftware im TCC 200 setzt diese Teilinformationen dann zu einer Gesamtsituation zusammen.
  • Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines visuellen Sensors 500. Der visuelle Sensor 500 umfasst einen unteren Montageteil 510 und einen Oberteil 520. Der Montageteil 510 ist so gestaltet, dass er einfach in unterschiedlichen Umgebungen befestigt werden kann. Der Montageteil 510 umfasst zwei Anschlüsse 512, 513 für die Speisung, wobei ein Anschluss 513 für eine optionale zweite alternative Speisung vorgesehen ist. Auf beiden Stirnseiten und Unterhalb des Montageteils 510 sind Kabeleinführungen vorgesehen, auf den beiden Stirnseiten Zugentlastungen für Freileitungsführung. Das Oberteil 520 wird über eine sichere Steckverbindung für die Speisung wasserdicht auf das Montageteil 510 gesteckt und mit unverlierbaren Schrauben mit dem Montageteil 510 verbunden. Wenn ein Kabel als "back bone" für das WWAN verlegt wird, wird dies auch in den Montageteil 510 geführt und mit einer Steckverbindung mit dem Oberteil 520 verbunden.
  • Zudem sind in Figur 3 die einzelnen Elemente des visuellen Sensors 500 im Detail ersichtlich. Das Oberteil 520 beinhaltet die Elektrik und Elektronik, zwei Stereokameras 532, zwei Dopplerradar 533 und drei Ultraschallsensoren 531. Dabei sind auf den Stirnseiten des visuellen Sensors 500 eine Stereokamera 532, ein Dopplerradar 533 und ein Ultraschallsensor 531 je in eine Fahrtrichtung der Züge ausgerichtet. Zusätzlich ist ein Ultraschallsensor 531 auf der Seite des visuellen Sensor 500 angebracht, so dass dieser rechtwinklig zur Schiene steht. Die Sensoren sind mit einem Vordach gegen Niederschlag geschützt. Der visuelle Sensor 500 umfasst weiter einen RFID-Sensor 530, welcher an der Seite des visuellen Sensors 500 angebracht ist. Zudem umfasst der visuelle Sensor 500 einen Rauchsensor 535, einen Temperatursensor 536, eine Warnleuchte 534, ein Mikrophon und einen Lautsprecher für eine Sprachausgabe oder einen akustischen Alarm. Die Antennen für die Kommunikation, soweit sie nicht innerhalb des Hauptgehäuses bleiben können, werden an der Aussenwand des Oberteils 520 anliegend montiert. Sie sind nicht freistehend.
  • Das Oberteil 520 des visuellen Sensors 500 umfasst einen primären Kommunikationskanal 521 für das WWAN, einen Backup-Kanal 522 für ein öffentliches Mobilfunknetz, einen allgemeinen Prozessor 523, einen Speicher 524 in dem die Schienentopologie des Schienennetzes abgespeichert ist, einen Neuroprozessor 525, einen Lagesensor 526, einen D-GPS-Empfänger 527, eine Uhreinheit 528 zur Erstellung eines synchronisierten Zeitnormals, zwei 12V Speisungen 529 und eine Batterie, die Energie für den Betrieb des visuellen Sensors für mindestens 48 Stunden ohne sonstige Energieversorgung ermöglicht.
  • Der Neuroprozessor 525 im visuellen Sensor 500 umfasst eine Software, welche in Echtzeit die Bilder von den Stereokameras 532, dem Dopplerradar 533 oder LiDAR und den Ultraschallsensoren 531 analysiert.
  • Die Software vergleicht laufend die erfassten Ereignisse mit vordefinierten Ereignissen. Stimmt ein erfasstes Ereignis mit einem vordefinierten Ereignis überein, sendet die Software im visuellen Sensor 500 eine Ereignismeldung drahtlos an alle drei redundanten Rechner des TCC 200. Ein vordefiniertes Ereignis kann beispielsweise eine Situation sein, bei der ein Ast oder ein sonstiges Objekt in das Lichtraumprofil der Züge ragt, so dass die Züge an der Durchfahrt behindert würden. Ein vordefiniertes Ereignis kann aber auch das Überschreiten der maximalen Geschwindigkeit des Zuges in einem bestimmten Streckenabschnitt, eine bestimmte Weichenstellung oder eine bestimmte Barrierenstellung sein oder ein sonstiger Zustand, der den Bahnbetrieb gefährden würde oder den reibungslosen Bahnbetrieb beeinflussen würde.
  • Die Ereignismeldung des visuellen Sensors 500 beschreibt genau das jeweilige Ereignis und jede Ereignismeldung an das TCC 200 beinhaltet zusätzliche Informationen über die Weichstellungen aller Weichen 400 im Überwachungsbereich des jeweiligen visuellen Sensors 500, den Öffnungsstand der Barrieren 600 eines Bahnübergangs im jeweiligen Überwachungsbereich und den Zustand des visuellen Sensors 500, wie beispielsweise Angaben über die Speisung, Temperatur und Informationen vom Rauchmelder im visuellen Sensor 500. Wenn längere Zeit kein Ereignis detektiert wird, sendet der visuelle Sensor 500 eine Statusmeldung an das TCC 200. Alle Meldungen werden drahtlos und kryptisch geschützt übermittelt.
  • Der Neuroprozessor 525 im visuellen Sensor 500 ist ein Standardprodukt mitsamt der Software, welche "deep machine learning" als Basis für die Programmierung ermöglicht. Mit programmierten Algorithmen für das korrekte Lernen der Anwendung wird die Software ergänzt. Hierzu wird die Software mit Millionen von Bildern aus der Erfassung der Schienentopologie gelehrt, die spezifische Bahnanwendung zu erkennen. Speziell wird der Software des Neuroprozessors 525 gelehrt, die verschiedenen Ereignisse zu detektieren, die an das TCC 200 gesendet werden sollen. Dies wird mit vielen entsprechenden Bildbeispielen gelehrt.
  • Vom TCC 200 kann das Kontrollpersonal Bildabfragen von bestimmten Streckenabschnitten, von Weichen 400 oder Barrieren 600 machen. Der jeweilige visuelle Sensor 500 sendet in diesem Fall ein Vollbild der Kamera an das TCC 200. Für bestimmte Zwecke wie zum Beispiel für die Fernsteuerung von Triebfahrzeugen 800 können auch Videos in Echtzeit von den visuellen Sensoren 500 an das TCC 200 übertragen werden.
  • Der visuelle Sensor 500 ist durch einen Monteur montierbar und kann einfach an die Speisungen angeschlossen werden. Der visuelle Sensor 500 muss dabei nicht aufrecht montiert werden. Der Lagesensor 526 ermittelt Korrekturdaten, damit die Software auf die Lage des visuellen Sensors 500 eingestellt werden kann.
  • Der visuelle Sensor 500 bestimmt seine Position mit D-GPS selber. Hat er eine stabile, sichere Position gefunden, bestimmt er anhand der Schienentopologie und seiner Sicht nach aussen, seinen Überwachungsbereich. Nach dieser initialen Positionsbestimmung wird das GPS nur noch als Zeitbasis verwendet. Visuelle Sensoren 500, die keinen GPS-Empfang haben, beziehen ihre Koordinaten vom TCC 200. Diese Koordinaten werden anhand der bekannten Schienentopologie für jeden visuellen Sensor 500 bestimmt.
  • Der allgemeiner Prozessor 523 im visuellen Sensor 500 kontrolliert die Zeit. Mit dem GPS wird diese Zeit periodisch korrigiert. Die Zeit steht als Zeitmeldung periodisch auf dem WWAN zur Verfügung, damit visuelle Sensoren 500 ohne GPS Empfang ihre Uhr synchronisieren können. Der genaue Zeitstempel ("time stamp") in allen Meldungen ist wichtig für alle beteiligten Geräte, damit sie die Positionsmeldungen kontinuierlich extrapolieren können und um die Aktualität einer Meldung kontrollieren zu können.
  • Die Stereokameras 532 haben je einen Öffnungswinkel von ca. 90°, arbeiten bei Tag in Farbe und nachts als Infrarotkamera in schwarz-weiss. Die Empfindlichkeit beträgt mindestens 0.01 Lux bei Farbe und 0.001 Lux bei schwarz-weiss. Die Auflösung horizontal beträgt 1024 Pixel. Das Infrarotlicht beleuchtet im Nachtsichtmode 150 m. Eine Stereokamera 532 des nächsten visuellen Sensors 500 für den gleichen Schienenabschnitt beleuchtet die gleiche Strecke aus der Gegenrichtung. Das Licht ist auf 20° fokussiert.
  • Der Dopplerradar 533 arbeitet im Frequenzbereich um 77 GHz und hat eine Reichweite von 300 m. Der Öffnungswinkel beträgt ungefähr 20°. Die mit dem Dopplerradar 533 gelieferte Firmware kann Menschen und Rollmaterial direkt erkennen. Der Dopplerradar 533 ist ein Massenprodukt für die Automobilindustrie und erkennt normalerweise verschiedene Fahrzeugtypen und Menschen direkt. Diese Firmware ist anpassbar für Rollmaterial des Bahnbetriebs.
  • Alternativ oder zusätzlich zum Dopplerrader können Laser eingesetzt werden, wenn sie in kleinerer Bauform ohne bewegliche Teile auf dem Markt verfügbar sind. Sie ergeben genaue 3-dimensionale Bilder. Lasergeräte sehen aber nicht durch Nebel und Schneefall. Die Dopplerradar und die Ultraschallsensoren ermöglichen auch bei sehr schlechtem Wetter eine zuverlässige Überwachung des Überwachungsbereichs. Der Dopplerradar kann die Distanz zu einem Objekt messen und die Geschwindigkeit des Objektes bestimmen.
  • Speziell in Tunnels ist es wichtig, Rauch sofort zu detektieren. Der Rauchsensor 535 des visuellen Sensors 500 spricht bei Rauch an und löst ein Ereignis aus, welches zum TCC 200 gemeldet wird.
  • Der Temperatursensor 536 misst kontinuierlich die Temperatur. Wird ein vorgebbarer Wert überschritten, erfolgt eine Meldung an das TCC 200.
  • Die Ultraschallsensoren 531 werden im Nahbereich eingesetzt. Ein rechtwinklig zur Schiene gerichteter Ultraschallsensor 531 erkennt eine Transition, wenn eine Zug-Spitze oder ein Zug -Ende vorbeifährt (Längenmessung, absolute Position zum Vergleich mit dem Radar).
  • Der RFID-Sensor 530 liest die RFID-Transponder an den vorbeifahrenden Zügen und erkennt auch Züge auf benachbarten Schienen. Wenn ein Zug einen visuellen Sensor 500 passiert hat, werden die RFID-Daten der detektierten Wagen des Zuges durch den visuellen Sensor 500 an das TCC 200 gesendet. Sind alle Wagen mit RFID-Transpondern ausgerüstet, hat das TCC 200 ein vollständiges Abbild des Rollmaterials auf dem Schienennetz.
  • Das TCC 200 kann Befehle mit Koordinatenbereichen ausgeben. Alle visuellen Sensoren 500 in einem bestimmten Koordinatenbereich erhalten dann den Befehl des TCC 200. So kann das TCC 200 beispielsweise für einen bestimmten Koordinatenbereich mittels der visuellen Sensoren 500 einen Alarm ausgeben. Über einzelne visuelle Sensoren 500 kann auch eine Sprachausgabe gewählt werden. Um die Umgebung zu alarmieren umfassen die visuellen Sensoren die Warnleuchte 534 und einen Lautsprecher oder ein Horn.
  • Durch die erfassten Sensordaten der visuellen Sensoren lassen sich Ereignisprotokolle erstellen. Dadurch sind alle Ereignisse auf jedem Schienenabschnitt protokolliert. Die Vergangenheit ist nachvollziehbar, die Daten dienen als Information, Beweis und als Basis für weitere Auswertungen.
  • Die zwei redundanten Speisungen 529 transformieren die eintreffende Spannung und Frequenz intern auf einen 12V Gleichstrom für den Betrieb des visuellen Sensors 500 und zum Laden der Batterie. Die beiden Speisungen 529 haben unterschiedliche Einspeisungen. Ist nur eine Einspeisung aktiv, beziehen beide Speisungen Energie von der aktiven Einspeisung. Die Spannung wird zwischen der Batterie und den Verbrauchern stabilisiert, weil die Batteriespannung je nach Ladezustand variieren kann.
  • Als 12 V Batterie wird eine Lithiumbatterie eingesetzt, welche von beiden Speisungen 529 geladen wird. Bei Ausfall der beiden Speisungen 529 liefert die Batterie ohne Unterbruch 12 V während 48 Stunden. Das heisst, die Batterie ist immer über einen Stabilisator am Verbraucher angeschlossen. Bei einem Stromausfall kann die Störung normalerweise innerhalb 24 Stunden behoben werden und der visuelle Sensor 500 bleibt dadurch in Betrieb.
  • Eine Heizung des visuellen Sensors 500 sichert eine Mindesttemperatur im Gehäuse und auf der Oberfläche der Stereokameras 532 von 5 °C. Im Normalfall erfolgt die Erwärmung auf diese Temperatur durch die Wärmeabgabe der eingebauten Geräte.
  • Eine allgemeine Software im visuellen Sensor 500 steuert alle Abläufe im visuellen Sensor 500 und umfasst folgende Aufgaben:
    • Startup, interne Tests
    • Einmaliges Bestimmen des Überwachungsbereichs
    • Korrektur der internen Uhr
    • Aufbau und Betrieb des WWAN
    • Koordination der internen Geräte
    • Drahtloser Verkehr mit dem TCC 200 über WWAN und Mobilfunknetz
    • Drahtloser Verkehr mit dem Triebfahrzeug 600 über WWAN und Mobilfunknetz
    • Überwachung der Verbindungen mit speziellen Status-Telegrammen
    • Download der Gleistopologie (Initial und Update)
    • Download der Software für den Neuroprozessor 525 (Initial und Update)
    • Download der allgemeinen Software (Update)
    • Betrieb der Rauch- und Temperatursensoren
    • Betrieb des RFID-Sensors
    • Betreib des Mikrofons und Lautsprechers
    • Betrieb des optischen und akustischen Alarms
    • Betrieb des Lagesensors
    • Lesen des D-GPS
  • Die lernende Software des Neuroprozessors kennt das Schienennetz und hat gelernt, Ereignisse zu detektieren. Folgende Ereignisse müssen im Überwachungsbereich eines visuellen Sensor 500 durch diese Software erkannt werden:
    • Rollmaterial, das auf visuellen Sensor 500 zu fährt oder vom Sensor weg fährt:
      • Geschwindigkeit, Ort, genaue Zeit, Berechnung Beschleunigung
    • Stehendes Rollmaterial
    • Menschen mit QR-Code
    • Menschen ohne QR-Code
    • Bewegliche oder stillstehende grössere Objekte (kein Bahnübergang)
    • Bewegliche oder stillstehende grössere Objekte auf einem geschlossenen Bahnübergang
    • Schranke bewegt, offen, geschlossen
    • Weiche bewegt, oder in einer definierten Position
    • Schienen gestört (weggeschwemmt, weggerutscht, fehlen, verformt)
  • Neben den oben erwähnten Statusinformationen kann eine Meldung des visuellen Sensors 500 zum TCC 200 eine oder mehrere der folgenden Informationen umfassen:
    • Bewegtes Rollmaterial (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung)
    • Stehendes Rollmaterial (je zusammenhängendes Rollmaterial: Position Anfang, Position Ende (Position Ende ÜB wenn das Rollmaterial über den ÜB hinausragt)
    • Menschen mit QR-Code (Position)
    • Menschen ohne QR-Code (Position)
    • Bewegliche grosse Objekte (Position, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtungsanteil in Gleisrichtung)
    • Unbewegliche grosse Objekte (Position)
    • Bahnübergang belegt mit Objekten und Menschen bei geschlossener Schranke (Position)
    • Schienen gestört/defekt
    • Rauchwarnung
    • Temperaturwarnung
    • Liste der RFID-Transponder von einem Zug
    • Bilder, welche vom TCC angefordert wurden
    • Life Video Übertragung
  • In Gegenrichtung können vom TCC 200 an den visuellen Sensor 500 Anforderungen gesendet werden wie Anforderungen für Bilder, für Videoaufnahmen in Echtzeit, Aktivierung des Sprachkanals, Aktivierung eines Downloads, Anforderung einer Zeitmeldung oder Einschalten eines Alarms (Blinklicht oder akustisch).
    • Schienentopologie
  • Die Schienentopologie ist bekannt und im TCC 200, in den visuellen Sensoren 500 sowie in Bordgeräten 900 der Triebfahrzeuge 800 gespeichert. Die Schienentopologie wird einmalig und gegebenenfalls erneut nach einer Änderung des Schienennetzes mit einer präparierten Lokomotive erfasst. Die Lokomotive umfasst hierzu vorne und hinten in 3 m Höhe auf beiden Seiten, soweit aussen wie möglich, eine Kamera mit Infrarotlicht, einen Radar und einen Ultraschallsensor in Fahrtrichtung und je eine Kamera, die seitlich 90° zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Diese Lokomotive fährt das ganze Schienennetz ab und filmt und fotografiert das Schienennetz mit hoher Auflösung. In der Lokomotive befindet sich ein System zur genauen Bestimmung der Position (WGS84 und Höhe über Meer). Dadurch können für jeden Schienenpunkt genau positionierte Bilder und der genaue Verlauf der Schienen in drei Dimensionen erfasst werden. Mit diesen Bildern werden die visuellen Sensoren 500 mittels "deep machine learning" gelehrt, das Schienennetz zu erkennen. Anschliessend wird die erfasste Schienentopologie im Speicher 524 in den visuellen Sensoren 500, in den Bordgeräten 900 der Triebfahrzeugen 800 und im dem TCC 200, insbesondere auch im SIL-4-Rechnersystem, gespeichert. Über die Kommunikationskanäle kann die aktuelle Schienentopologie in den visuellen Sensoren 500 und den Bordgeräten 900 später mittels Download und update nachgeführt werden.
    • Kommunikationsnetz
  • Die visuellen Sensoren 500 unterhalten ein Weitverkehrsfunknetz, ein "wireless wide area network" (WWAN), entlang allen Schienen des Schienennetzes. Dieses WWAN ist mehrfach an das TCC 200 angeschlossen und alle dezentralen Geräte benützen dieses Netzwerk. Das WWAN überträgt Daten, Sprache und ermöglicht Streaming.
  • In Figur 5 sind die vom erfindungsgemässen Zugleitsystem 100 verwendeten Kommunikationsnetze schematisch als gestrichelte Linien dargestellt. So ist in Figur 5 das WWAN 360 ersichtlich, über das die visuellen Sensoren 500, Befehlsgeber 450, 650 und die Bordgeräte 900 der Triebfahrzeuge 800 mit dem TCC 200 kommunizieren. Vom Bahnpersonal auf der Strecke oder in Bahnhöfen kann das WWAN 360 mit mobilen Geräten für Sprach- und Datenübertragung genutzt werden. Als Backup zum WWAN 360 werden lokale Mobilfunknetze 370 genutzt, in der Schweiz beispielsweise das Mobilfunknetz G4. Periodisch werden das WWAN 360 und die Backup-Verbindungen zu Mobilfunknetzen 370 von jedem visuellen Sensor 500, den Befehlsgebern 450, 650, dem TCC 200 und den Bordgeräten 900 der Triebfahrzeuge 800 überprüft.
  • Wenn das TCC 200 über WWAN 360 einen Befehl an ein Triebfahrzeug 800 gesendet hat, erhält das TCC 200 vom jeweiligen Triebfahrzeug 800 eine Quittung. Erhält das TCC 200 keine Quittung, wird der Befehl über ein Mobilfunknetz 370 wiederholt. In umgekehrter Richtung funktioniert die Kommunikation gleich: Wenn das Triefahrzeug 800 auf eine Anforderung an das TCC 200 keine Quittung erhält, wird der Befehl über ein Mobilfunknetz 370 wiederholt. Der Ausfall der Verbindung zwischen TCC 200 und Triebfahrzeug 800 führt zur Bremsung des Zuges. Die visuellen Sensoren 500 senden ihre Meldungen ebenfalls über WWAN 360 an die drei Rechner des TCC 200. Erhält der sendende visuelle Sensor 500 nicht sofort eine Quittung von allen Rechnern des TCC 200, sendet der visuelle Sensor 500 die Meldung über ein Mobilfunknetz 370 an diejenigen Rechner des TCC 200, von denen der visuelle Sensor 500 keine Quittung erhalten hat. Die Rechner des TCC 200 senden ihre Befehle über WWAN 360 an die Befehlsgeber 450, 650. Erhält ein Rechner des TCC 200 von einem Befehlsgeber 350, 650 keine sofortige Quittung, sendet der Rechner die Meldung ebenfalls über ein Mobilfunknetz 370 an den entsprechenden Befehlsgeber 450, 650.
    • Kontrolleinrichtung
  • Das "Traffic Control Center" (TCC) 200 funktioniert als zentrale Kontrolleinrichtung. Das TCC 200 besteht aus Hardware und Software. In Figur 6 ist der Aufbau der Hardware des TCC 200 schematisch dargestellt. Die Hardware besteht aus drei redundanten Rechnern 210, 220, 213 und einem SIL 4-Rechersystem 220, welches Sicherheits-Integritätslevel (SIL) 4 konform ist. Jeder Rechner 210, 220, 213 umfasst ein Rechnersystem, Kommunikationsanschlüsse mit Kryptographie und Anschlüsse für dezentrale Benutzerschnittstellen.
  • Das TCC 200 organisiert und optimiert die Zugfolge, verwaltet Ressourcen wie das Schienennetz, Bahnsteige, Ausweichgeleise und dergleichen mit maschineller Intelligenz. Hierzu stellt das TCC 200 Weichen 400, steuert Barrieren 600 von Bahnübergängen, steuert Züge, macht dem Personal Vorschläge, informiert das Personal über Störungen und fragt das Personal nach Prioritäten bei mehreren Optionen. Zur Steuerung der Züge überwacht das TCC 200 Abfahrtsquittungen von den Zügen und akzeptiert die Abfahrtsquittung bei jedem Halt. Das TCC kann notfalls über die Verbindung zu den Treibfahrzeugen 800 und über deren Bordgerät 900 die Züge beeinflussen, beispielsweise im Notfall eine Notbremsung einleiten. Des Weiteren kann das TCC 200 bei Bedarf den kompletten Bahnbetrieb weitgehend autonom steuern, nur Ausnahmesituationen müssen vom Kontrollpersonal bearbeitet werden.
  • Weichen- und Barrieren-Stellungen werden im TCC 200 in Echtzeit dargestellt. Mit den visuellen Sensoren 500 wird jeder Befehl an eine Weiche 400 oder Barriere 600 auf Sicht überwacht. Das Kontrollpersonal im TCC 200 wird alarmiert, wenn der Befehl nicht in der vorgeschriebenen Zeit ausgeführt wurde. Eine Benutzeroberfläche passt sich der verfügbaren Bildschirmgrösse an und stellt die Informationen im gewünschten Massstab dar. Auch Züge werden in Echtzeit dargestellt. Je nach Betriebsart werden der Bremsweg, der Durchrutschweg, die genehmigte Rückfahrstrecke und alle andere Informationen über den Zug in Echtzeit graphisch angezeigt. Güterwagen-Rangierbereiche (Shunting) werden gekennzeichnet. Dadurch sind im TCC 200 alle Bewegungen innerhalb des Schienennetzes inklusive einzelner Zugswagen sichtbar.
  • Das TCC 200 umfasst eine Sensorsoftware für die Koordination und Interpretation der Sensordaten der visuellen Sensoren 500, eine "Traffic Control Software", eine Steuerungssoftware, und eine SIL 4-Sicherheitssoftware.
  • Die Sensorsoftware im TCC 200 erhält alle Ereignismeldungen von den visuellen Sensoren 500 und kann die Beobachtungen der visuellen Sensoren 500 zu einer redundanzfreien Gesamtsicht zusammenfügen. Weiter kann diese Sensorsoftware die Ereignismeldungen der visuellen Sensoren 500 vergleichend gegeneinander prüfen. Nur koordinierte und richtige Ereignismeldungen werden an die übergeordnete "Traffic control software" weitergegeben. Die Sensorsoftware prüft auch die Regelmässigkeit der Statusmeldungen aller visuellen Sensoren 500. Bei Fehlern und Störungen werden geeignete Massnahmen ergriffen und der Unterhalt wird mobilisiert. Die Koordinationsaufgaben der Sensorsoftware umfassen insbesondere das Erkennen von Rollmaterial über mehrere visuelle Sensoren 500 hinweg, das Errechnen der Länge eines Zuges, das Ermitteln des Zustandes einer Baustelle und Einleiten von Sicherheitsmassnahmen sowie das Ausführen von weiteren übergeordneten Koordinationsaufgaben.
  • Nachfolgend wird die Softwarearchitektur der "Traffic Control Software" des TCC aus logischer Sicht beschrieben. Die geschichtete Architektur, von unten nach oben umfasst eine Input/Output-Ebene, eine Abbild-Ebene, eine Sicherungsebene, eine Steuerungsebene, eine Planungsebene und einer Benutzerschnittstelle. Die einzelnen Ebenen sind nachfolgend im Detail erläutert.
  • Die Aufgaben der Input/Output-Ebene umfassen das Überwachen der visuellen Sensoren 500 und Befehlsgebern 450, 650, Meldungen empfangen und senden, Störungen erkennen, Redundanz aus den Meldungen filtern (wegen redundanten Kommunikationswegen und weil verschiedene visuelle Sensoren 500 die gleiche Information senden), Meldungen von den Triebfahrzeugen 800 empfangen und Meldungen zu den Triebfahrzeugen 800 senden.
  • Die Aufgaben der Abbild-Ebene umfassen das Nachführen eines Abbilds des Schienennetzes in Echtzeit, Erkennen von neuen Ereignissen und Weiterleiten von Ereignissen. Das Abbild des Schienennetzes in Echtzeit basiert auf Beobachtungen der visuellen Sensoren 500, auf Meldungen von den Befehlsgebern 450, 650 und den Triebfahrzeugen 800. Das Abbild in Echtzeit stellt den IST-Zustand dar. Mittels berechneten Bremskurven der Züge kann die Belegung eines Schienenabschnitts vor dem Zug erfasst werden. Ein dem Abbild in Echtzeit überlagertes, jedoch getrenntes SOLL-Abbild zeigt den SOLL-Zustand des Schienennetzes. Dieses SOLL-Abbild wird aufgrund der Befehle der Steuerungsebene an Weichen 400, Barrieren 600 und an Zügen gebildet. So wird für das SOLL-Abbild beispielsweise den Zustand einer Weiche, wie er befohlen wurde oder die gewünschte Beschleunigung, Geschwindigkeit oder Bremsung eines Zuges erfasst.
  • Alle Meldungen und Befehle im TCC 200 gehen durch die Sicherungsebene. Die Aufgaben der Sicherungsebene umfassen das Prüfen der Zugabstände und die Entwicklung der Zugsabstände unter Berücksichtigung der Weichenstellungen und der Bremskurven der Züge. So prüft die Sicherungsebene beispielsweise, ob alle Züge sicher fahren (Frontal-, Flanken- und Auffahrschutz). Zu den Aufgaben der Sicherungsebene zählen weiter das Prüfen der Barrierenstellungen an Bahnübergängen abhängig von den Zugbewegungen, die Ausführbarkeit von Befehlen des TCC 200, beispielsweise ob eine bestimmte Weiche 400 zurzeit umgelegt werden kann oder ob sie durch einen fahrenden Zug belegt ist. Die Sicherungsebene führt zudem weitere Sicherheitsprüfungen durch, die laufend spezifiziert werden.
  • Die Aufgaben der Steuerungsebene umfassen die direkte Steuerung der Züge gemäss den Vorgaben der Planungsebene und das Ausführen der Anweisungen der Planungsebene, sofern die Anweisungen durch die Sicherungsebene akzeptiert wurden.
  • Die Planungsebene übernimmt die Planung, wobei der langfristige und kurzfristige Fahrplan als Grundlage für die Planung dient. Die Züge werden im Personen- und Güterverkehr immer via Fahrplan geplant, auch beim Rangieren in Bahnhöfen und auf der Strecke. Direkte Eingaben für Bewegungen können nur im Rangierbetrieb in reservierten Rangierzonen erfolgen. Beim unbemannten Zugbetrieb (UTO) werden die Triebfahrzeuge bei Pannen durch Kontrolle des TCC 200 ferngesteuert. Die Planungsebene umfasst weitere Aufgaben wie die Planung der Zugfolgen, die Planung der Zugwege, die Nutzung von Ausweichgleisen, die Nutzung von Bahnsteigen und dergleichen mit intelligenter Software. Die Lage wird in kurzen Abständen immer neu evaluiert und optimiert. Die gewünschten Abläufe werden an die Steuerungsebene zur Ausführung übermittelt. Beispielsweise berücksichtigt die Planungsebene durch die Annäherung eines Zuges nicht mehr sicher schaltbare Weichen. Sind für diesen Zug vorbestimmte Perrons definiert und zurzeit belegt, sucht die Planungsebene alternative Perrons. Bei Störungen bearbeitet die Planungsebene verschiedene vordefinierte Szenarien und schlägt die im Moment sinnvollen Szenarien dem Bediener zur Auswahl vor. Die langfristigen Fahrpläne werden nicht auf dem TCC 200 erarbeitet, sondern von anderen Systemen übernommen.
  • Die Aufgaben der Benutzerschnittstelle umfassen die Darstellung von ausgewählten Daten auf Bildschirmen oder auf einem Bildschirmcluster im gewünschten Massstab, das Ergänzen der Informationen mit allen Details je nach Auswahl, das Informieren über wichtige unvermeidliche Abweichungen vom Fahrplan sowie die Annahme von Benutzereingaben. Diese Benutzereingaben umfassen beispielsweise Fahrplanergänzungen und Änderungen der Züge (neue Züge, Bewegungen), Auswahl eines von der Planungsebene vorgeschlagenen Szenarios bei Störungen, Auswahl eines von der Planungsebene vorgeschlagenen Wechsels eines üblichen Bahnsteiges bei Überlastung, Auswahl einer Aktion, wenn die Planungsebene informiert, dass Vorgaben vom Fahrplan wegen dem aktuellen Zustand des Schienennetzes nicht durchführbar sind oder Eingaben bezüglich dem Rangieren auf Rangierzonen. Die Benutzerschnittstelle stellt zudem einen virtuellen Führerstand grafisch dar. In diesem virtuellen Führerstand werden in Echtzeit Videobilder vom Triebfahrzeug und Bilder nach vorne aus dem Triebfahrzeug angezeigt.
  • Mit dem separaten, redundanten SIL 4- Rechnersystem 220 mit einer SIL 4-Sicherheitssoftware werden die drei Rechner des TCC 200 generisch überwacht. Dabei müssen die drei Rechner 211, 212, 213 nicht zwingend SIL 4 konform sein, sondern nur das SIL 4-Rechnersystem 220. Neue Releases für die Rechner 211, 212, 213 müssen nicht jedes Mal zertifiziert werden. Die Befehlsgeber 450, 650 und die Bordgeräte 900 der Triebfahrzeuge 800 umfassen eine Software mit einem Kern, der bei jeder Änderung zertifiziert werden muss.
  • Die Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 werden unabhängig von drei Gruppen programmiert und unterhalten, um systematische Fehler auszuschliessen. Jeder Rechner 211, 212, 213 umfasst eine eigenständige Überwachung der visuellen Sensoren 500 und Befehlsgeber 450, 650. Weiter umfassen die Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 auf mehreren Ebenen und nach verschiedenen Methoden ausgelegte Sicherheitssoftware, die dauernd aktiv ist. Daher ist unwahrscheinlich, dass die Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 unbemerkt Fehler machen. Um SIL 4 generisch zu garantieren, überwacht jedoch übergeordnet die SIL 4-Sicherheitssoftware des SIL 4-Rechnersystems 220 die Rechner 211, 212, 213 als letzte Instanz.
  • Die SIL 4-Sicherheitssoftware des SIL 4-Rechnersystems 220 vergleicht bereichsweise die Abbilder der realen Welt, das heisst beispielsweise die Züge, Rollmaterial, Weichen 400, Barrieren 600 und Störungen der Gleise, der drei Rechner 211, 212, 213 untereinander. Mindestens zwei Abbilder müssen genau übereinstimmen. Das Personal wird alarmiert, wenn über zwei Minuten lang nur zwei Abbilder übereinstimmen. Die SIL 4-Sicherheitssoftware hat generische Funktionen, die Gefahrensituationen in den Abbildern errechnen oder erkennen. Erfasst die SIL 4-Sicherheitssoftware des SIL 4-Rechnersystems 220 eine Gefahrensituation in einem Bereich, blockiert die SIL 4-Sicherheitssoftware die Befehlsausgabe der Rechner 211, 212, 213 für diesen Bereich und ein Alarm wird ausgelöst. Erhalten die Züge nicht regelmässig Informationen von den Rechnern 211, 212, 213 des TCC 200, halten sie nach drei Sekunden an ("service brake") bis der Kontakt wieder funktioniert. Bleiben die Informationen weiterhin aus, wird nach weiteren sechs Sekunden eine Notbremsung ("emergency brake") eingeleitet.
    • Befehlsgeber für Weichen und Barrieren
  • Die Befehlsgeber 450 der Weichen 400 und die Befehlsgeber 650 der Barrieren 600 sind über WWAN drahtlos mit dem TCC 200 verbunden. Die Befehlsgeber 450, 650 führen einen Befehl vom TCC 200 aus, wenn innerhalb von zwei Sekunden von mindestens zwei Rechnern 211, 212, 213 des TCC 200 der gleiche Befehl eingetroffen ist. Trifft bei einem Befehlsgeber 450, 650 nur ein Befehl ein oder sind die Befehle unterschiedlich, werden die drei Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 alarmiert und der Befehl wird nicht ausgeführt.
  • Die Befehlsgeber 450, 650 umfassen eine Software mit einem Kern, der bei jedem Release neu zertifiziert werden muss. Der Kern überprüft die Funktion des Befehlsgebers 450, 650 und blockiert die Befehlsausführung bei einer Störung. Zusätzlich alarmiert die Software des Befehlsgebers 450, 650 die Rechner 211, 212, 213 des TCC 200. Der Empfang eines Befehls wird vom Befehlsgeber 450, 650 dem entsprechenden Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 bestätigt. Ändert der Zustand einer Weiche 400 (Lage, transient) oder einer Barriere 600 (offen, transient, zu) werden alle Rechner 211, 212, 213 des TCC 200 informiert. Alle 10 Minuten senden die Befehlsgeber 450, 650 ein Lebenszeichen mit dem aktuellen Status an die Rechner 211, 212, 213 des TCC 200.
  • Die Befehlsgeber 450, 650 umfassen zwei redundante Speisungen, welche die eintreffende Spannung und Frequenz intern zu 12V Gleichstrom transformieren. Die beiden Speisungen haben je eine unterschiedliche Einspeisung. Ist nur eine Einspeisung aktiv, beziehen beide Speisungen von der aktiven Einspeisung Energie.
    • Bordgerät
  • Vorzugsweise umfassen die Triebzüge 800 ein Bordgerät 900. Das Bordgerät 900 dient zur Anzeige von Informationen, für Benutzereingaben und zur Übermittlung von Informationen an das TCC 200 und zum Empfangen von Informationen und Anweisungen vom TCC 200.
  • Die Figur 7 zeigt schematisch den Aufbau des Bordgeräts 900. Das Bordgerät 900 umfasst einen primären Kommunikationskanal 901 für das WWAN, einen Backup-Kanal 902 für ein öffentliches Mobilfunknetz, einen allgemeinen Prozessor 903, einen Speicher 904 in dem die erfasste Schienentopologie abgelegt ist, einen Neuroprozessor 905, einen Lagesensor 906, einen D-GPS-Empfänger 907, eine Uhreinheit 908 zum Erstellen eines synchronisierten Zeitnormals, zwei 12 - 48V Speisungen 909, eine Batterie und eine Schnittstelle 910 zum Triebfahrzeug 800. Das Bordgerät 900 umfasst zudem eine Bedien- und Anzeigeeinheit 911. Zum Bordgerät 900 gehören zudem ein Headup-Display 912, ein Lautsprecher 913 und ein Mikrofon, vier Ultraschallsensoren 914, eine Stereokamera 915 mit Infrarot-Licht zur Beleuchtung und ein Dopplerradar 916.
  • Die Stereokamera 915 mit dem Infrarotlicht weist eine Reichweite von ca. 100m auf. Der Dopplerradar 916 arbeitet im 24 GHz-Bereich für eine breite Überwachung innerhalb 30m. Die Ultraschallsensoren 914 messen etwa 60 m weit. Die Ultraschallsensoren dienen insbesondere für die Abstandshaltung beim gewollten Auffahren auf einen Zug auf dem gleichen Gleis, gegen das Gleisende in Sackbahnhöfen oder für das Ankuppeln an Rollmaterial.
  • Das Bordgerät 900 zeigt die den visuellen Sensoren 500 gemessene Geschwindigkeit und die Distanz zum nächsten Zielpunkt des zu befahrenden Streckenabschnitts (End Movement Authority, EOA) an. Im Nahbereich des EOA projiziert das Headup-Display 912 des Bordgeräts 900 eine Stopp-Merktafel. Das Bordgerät 900 kommuniziert über das WWAN und öffentliche Mobilfunknetze.
  • Das Bordgerät 900 umfasst eine Steuereinheit, die hinter der Windschutzscheibe des Triebfahrzeuges 800 montiert wird. Die Antenne für das WWAN ist auf dem Dach des Triebfahrzeuges 800 montiert, zusammen mit den Antennen für die Mobilfunknetze. Die vier Ultraschallsensoren 914 sind in einer Hülle des Triebfahrzeuges 800 montiert und strahlen frei in Fahrtrichtung nach vorne. Das Headup-Display 912 befindet sich im Führerstand vor dem Zugführer. Die Schnittstelle 910 des Bordgeräts 900 stellt die Verbindung des Borderäts 900 zur Elektronik des Zuges sicher. Die Schnittstelle 910 ist mit einem CAN-Bus an die Steuereinheit angeschlossen und mit Vorteil nahe der Triebfahrzeugelektronik montiert.
  • Das Bordgerät 900 umfasst eine Software mit einem Kern, der bei jedem Release dieses Kerns neu zertifiziert werden muss. Der Kern überprüft die Funktion des Bordgeräts 900 und blockiert die Befehlsausführung bei Störung oder stoppt den Zug. Zusätzlich alarmiert die Software des Bordgeräts 900 das TCC 200.
  • Die Einstellung der Zeit erfolgt über das GPS. Wenn kein GPS-Empfang vorhanden ist, wird die Zeit des WWAN übernommen. Die von den visuellen Sensoren 500 gemeldete Position wird mit der GPS-Position verglichen. Abweichungen (ohne Tunnel, gedeckte Bahnhöfe, etc.; nur bei gutem Sattelitenempfang) werden zum TCC 200 alarmiert. Die Batterie des Bordgeräts 900 liefert Energie für 30 Tage im reduzierten Betrieb (Stand by) ohne Ladung. Im normalen Betrieb wird die Batterie aus dem Bordnetz des Triebfahrzeuges 800 geladen. Die Schnittstelle 910 zum Triebfahrzeug 800 ermöglicht es das Triebfahrzeug 800 vollständig über das Bordgerät 900 zu beeinflussen. Es können also Funktionen für das Fahren, Beschleunigen und Bremsen des Triebfahrzeuges 800 sowie beispielsweise die Bedienung des Pantographen über das Bordgerät 900 gesteuert werden.
  • Mit dem Headup-Display 912 wird dem Zugführer die genaue Position zum Halten angezeigt und andere Informationen dargestellt, die sonst mit Merktafeln angezeigt werden, wie beispielsweise der Erhaltungsbereich.
  • Über die Kommunikationsmittel des Bordgeräts 900 kann der Zugführer mit dem Kontrollpersonal des TCC 200, dem Fahrdienstleiter, dem Zugführer anderer Züge und dem Bahnpersonal an den Bahnhöfen Gespräche führen. Hierzu kann mit dem Bordgerät 900 wie bei einem Mobilfunktelefon mittels Funktionsnummern eine Verbindung aufgebaut werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Ausführung des oben beschriebenen Zugleitsystems beschränkt. Beispielsweise ist nicht erforderlich, dass die zentrale Kontrolleinrichtung drei redundante Rechner aufweist. Es ist nicht erforderlich, dass die zentrale Kontrolleinrichtung den Bahnbetrieb autonom steuert. Auch ist nicht zwingend, dass das komplette Schienennetz mit visuellen Sensoren abgedeckt ist. So können beispielsweise Teile des Schienennetzes auch mit anderen Sensoren überwacht werden. Das Schienennetz muss nicht zwingend Barrieren umfassen. Zudem müssen die Barrieren nicht zwingend von der zentralen Kontrolleinheit gesteuert werden. Auch können zum Beispiel neben den Weichen auch noch andere steuerbare Streckenelemente durch die zentrale Kontrolleinrichtung gesteuert werden.
  • Die Erfindung kann aber auch sonst von den oben beschriebenen Elementen abweichend ausgeführt werden. So kann beispielsweise der Aufbau der visuellen Sensoren vom oben beschriebenen Aufbau abweichend ausgeführt sein. Die visuellen Sensoren können beispielsweise nur eine Kamera oder nur einen Radarsensor umfassen. Ausserdem muss nicht zwingend eine Verbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung und den schienengebundenen Fahrzeugen bestehen. Falls keine Verbindung besteht, erfolgt die Steuerung des Bahnbetriebs durch die zentrale Kontrolleinrichtung beispielsweise nur über die Steuerung von Weichen und Signalen. Des Weiteren müssen die schienengebundenen Fahrzeuge nicht zwingend ein Bordgerät aufweisen.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass ein Zugleitsystem geschaffen wurde, welches eine zuverlässige Überwachung eines Schienennetzes sowie eine zuverlässige Überwachung von Streckenelementen und schienengebundenen Fahrzeugen auf dem Schienennetz erlaubt und zudem eine Steuerung der schienengebundenen Fahrzeuge und der Streckenelemente auf diesem Schienennetz ermöglicht.

Claims (18)

  1. Zugleitsystem (100) zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes eines Schienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen (800) auf diesem mindestens einem Teilschienennetz sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen, insbesondere Weichen (400), des Teilschienennetzes, wobei das Zugleitsystem (100) mindestens zwei ortsfeste visuelle Sensoren (500) zum Erfassen von Sensordaten des Teilschienennetzes und mindestens eine ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung (200) umfasst, wobei
    a) die zentrale Kontrolleinrichtung (200) in Datenverbindung mit den ortsfesten visuellen Sensoren (500) steht,
    b) die zentrale Kontrolleinrichtung (200) in Datenverbindung mit den beiden Streckenelementen steht,
    c) die zentrale Kontrolleinrichtung (200) dazu ausgebildet ist, die Sensordaten von den ortsfesten visuellen Sensoren (500) zu empfangen und die Sensordaten zu verarbeiten,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Zugleitsystem (100) derart ausgebildet ist, dass unter Einbezug der in der zentralen Kontrolleinrichtung (200) verarbeiteten Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren (500) die mindestens zwei Streckenelemente in dem mindestens einen Teilschienennetz gesteuert werden können.
  2. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugleitsystem (100) Sicherheitselemente, insbesondere Bahnschranken (600), umfasst und die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind, dass die Sicherheitselemente überwachbar und steuerbar sind.
  3. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinrichtung (200) in Verbindung mit den streckengebundenen Fahrzeugen (800) im Teilschienennetz steht und dass die schienengebundenen Fahrzeuge (800) durch die zentrale Kontrolleinrichtung (200) überwachbar und steuerbar sind.
  4. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinrichtung (200) derart ausgebildet ist, dass mit der zentralen Kontrolleinrichtung (200) unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten mehr als 70% der Sicherheits- und Streckenelemente, bevorzugt mehr als 90% der Sicherheits- und Streckenelemente des Schienennetzes, steuerbar sind.
  5. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind und die Anzahl der visuellen Sensoren (500) derart gewählt ist, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) mehr als 70% des Schienennetzes, vorzugsweise mehr als 80% des Schienennetzes, besonders bevorzugt mehr als 95% des Schienennetzes überwachen.
  6. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind, dass Objekte im Bereich des Teilschienennetzes überwachbar sind.
  7. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei ortsfesten visuellen Sensoren (500) einen Radarsensor (533), eine Kamera (532) oder beides umfassen.
  8. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) mit den schienengebundenen Fahrzeugen (800) in Datenverbindung stehen.
  9. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind, dass mindestens ein Teilschienennetz durch die ortsfesten visuellen Sensoren (500) vorzugsweise kontinuierlich in bevorzugt zwei Fahrtrichtungen des schienengebundenen Fahrzeuges (800) überwachbar ist und dadurch mit den ortsfesten visuellen Sensoren (500) insbesondere redundante Sensordaten des Teilschienennetzes erfassbar sind.
  10. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) jeweils ein vorzugsweise lernfähiges Computerprogramm umfassen, womit aus den erfassten Sensordaten Ereignisse abstrahierbar sind.
  11. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm der ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart ausgebildet ist, dass eine Ereignismeldung an die zentrale Kontrolleinrichtung (200) gesendet werden kann, sofern ein abstrahiertes Ereignis der Sensordaten mit einem Ereignis aus einer Anzahl vorbestimmter Ereignisse übereinstimmt.
  12. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinrichtung (200) ein Computerprogramm zum zentralen Verarbeiten der Ereignismeldungen der ortsfesten visuellen Sensoren (500) umfasst.
  13. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung (200) und den ortsfesten visuellen Sensoren (500) und die Datenverbindung zwischen der zentralen Kontrolleinrichtung (200) und den Streckenelementen eine drahtlose Datenverbindung ist.
  14. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der ortsfesten visuellen Sensoren (500) jeweils mittels einer Ortungsvorrichtung bestimmbar ist und die Position der ortsfesten visuellen Sensoren (500) mittels eines Senders an die zentrale Kontrolleinrichtung (200) gesendet werden kann.
  15. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) eine Warneinrichtung beinhalten, die akustische oder visuelle Warnsignale aussenden kann.
  16. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (200) dazu ausgebildet ist, Informationen zu verarbeiten, wobei diese Informationen mindestens eine Information umfasst wie die Topografie des Teilschienennetzes, den Zustand des Teilschienennetzes, Sensordaten der ortsfesten visuellen Sensoren (500), die Position der Sicherheits- und Streckenelemente, Daten der Sicherheits- und Streckenelemente, Anweisungen von Bahnpersonal auf der Bahnstrecke oder in Bahnhöfen sowie Daten der schienengebundenen Fahrzeuge (800).
  17. Kontrolleinrichtung (200) für ein Zugleitsystem, insbesondere für ein Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 - 16, wobei die Kontrolleinrichtung (200) ortsfest und zentral angeordnet ist und die zentrale Kontrolleinrichtung (200)
    a) mit ortsfesten visuellen Sensoren (500) in Datenverbindung steht,
    b) die zentrale Kontrolleinrichtung (200) dazu ausgebildet ist, Sensordaten von den visuellen Sensoren (500) zu empfangen und zu verarbeiten
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (200) derart ausgebildet ist, dass unter Einbezug der in der Kontrolleinrichtung (200) verarbeiteten Sensordaten mindestens zwei Streckenelemente, vorzugsweise zwei Weichen (400), gesteuert werden können.
  18. Verfahren zum Überwachen mindestens eines Teilschienennetzes eines Schienennetzes und von schienengebundenen Fahrzeugen (800) auf diesem Teilschienennetz sowie zum Überwachen und Ansteuern von mindestens zwei schaltbaren Streckenelementen, insbesondere Weichen (400), des Teilschienennetzes mittels Zugleitsystem, insbesondere einem Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 - 16, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    a) Erfassen von Sensordaten mit ortsfesten visuellen Sensoren (500),
    b) Senden der Sensordaten der visuellen Sensoren (500) an eine ortsfeste zentrale Kontrolleinrichtung (200),
    c) Empfangen und Verarbeiten der Sensordaten in der ortsfesten zentralen Kontrolleinrichtung (200),
    dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinrichtung (200) unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten mindestens zwei Streckenelemente in dem mindestens einen Teilschienennetz beeinflusst.
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