EP3275764B1 - Zugleitsystem - Google Patents

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EP3275764B1
EP3275764B1 EP16181698.8A EP16181698A EP3275764B1 EP 3275764 B1 EP3275764 B1 EP 3275764B1 EP 16181698 A EP16181698 A EP 16181698A EP 3275764 B1 EP3275764 B1 EP 3275764B1
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EP
European Patent Office
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rail
visual sensors
control device
rail network
central control
Prior art date
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EP16181698.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3275764A1 (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 control 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 route elements, in particular switches, of the sub-rail network.
  • the train control system comprises at least two stationary visual sensors for recording sensor data of the sub-rail network and at least one stationary central control device.
  • the central control device is in data connection with the fixed visual sensors and the central control device is in data connection with the two route elements, the central control device being designed to receive the sensor data from the fixed visual sensors and to process the sensor data.
  • the train control system is designed in such a way that the at least two route elements in the at least one sub-rail network can be controlled with the inclusion of the sensor data of the fixed visual sensors processed in the central control device.
  • train control systems for monitoring a rail network and for monitoring and controlling trains and rail vehicles are known.
  • the train control systems not only have to ensure safety, but also serve to improve the punctuality of the trains and provide information about rail traffic in the monitored rail network for train staff and passengers.
  • Train control systems usually include a large number of decentralized interlockings for monitoring and controlling points and signals in stations and on the route. Sensors count the axes of the trains and track vacancy detection systems monitor the current occupancy status of the tracks. The signal boxes also regulate subsequent and counter-train journeys on the free route with the help of a route block. The signal boxes recognize whether a track section is free or occupied, the switch positions and the opening position of the barriers.
  • monitoring systems which comprise sensors arranged along the railway line, for example in order to monitor a level crossing.
  • Such a monitoring system describes, for example, the WO 2011/162605 A2 (R. Bakker).
  • the monitoring system comprises ultrasonic or radar sensors arranged on an overhead line of the railway, which detect whether a train is in the monitored one The section of the route is in the area of the level crossing and at what speed the train is moving. The sensors also detect whether, for example, a car is parked on the level crossing. Recorded sensor data are forwarded to a control device.
  • the control device can dynamically control barriers on the basis of the sensor signals and, if necessary, initiate an emergency braking of the train.
  • Train control systems can also include control devices arranged on the trains. Such train control devices constantly monitor the route traveled and can influence the train if an obstacle is detected on the rail.
  • the US 2016/0046308 A1 (Panasec Corp.) describes such a train control device.
  • a camera located at the head of the train continuously monitors the track and reports to a train control device when an object is on the rail.
  • the route is monitored by sensors on the edge of the route and, in the case of switches, by switch sensors. Events are reported wirelessly to the train control device of the approaching train.
  • the train control device processes the data received and if a condition outside of a limit value is determined, for example if a collision is likely, the train control device sends instructions to the train. If the train crew does not react correctly or in time to a warning message, the train control device automatically reduces the speed of the train or initiates an emergency braking.
  • the train control device which is arranged on the train, can only influence the respective train.
  • the switches, barriers and the other trains on the rail network are controlled by local signal boxes. A comprehensive view of the entire rail network with several trains is therefore not possible.
  • Surveillance systems like the one in the WO 2011/162605 A2 (R. Bakker) are limited to local route sections such as level crossings. In addition, these systems can only control the train that is located in the monitored route section or is approaching it.
  • WO2007 / 149629 describes an intelligent system for monitoring a depot with a large number of video devices.
  • US2015 / 0175179 describes a multimodal guideway vehicle sensor which comprises a passive sensor, an active sensor and an identification sensor.
  • the object of the invention is to create a train control system belonging to the technical field mentioned above, which allows reliable monitoring of a rail network and reliable monitoring of track elements and rail-bound vehicles on the rail network and also enables the rail-bound vehicles and track elements on this rail network to be controlled .
  • a train control system is understood to mean a system for monitoring, controlling, automating and optimizing the traffic of rail-bound vehicles on the rail network. It is irrelevant whether individual locally limited parts of the rail network, such as a marshalling yard or a siding, are not covered by the train control system, as long as the mentioned sub-rail network forms a rail network with switches on which rail-bound vehicles can run. "At least one partial rail network” is to be understood as a part of a rail network or the entire rail network. According to the invention, this sub-rail network comprises at least two train stations or stops with several switches and route sections, so that rail traffic between these at least two train stations is made possible with rail-bound vehicles.
  • Visual sensors includes sensors that can detect electromagnetic waves, preferably electromagnetic wavelengths between 0.1 micrometers to 10 centimeters, and sensors that generate sound waves, preferably ultrasonic waves with a frequency higher than 16 kHz.
  • Visual sensors can thus include, for example, still cameras, video cameras or other devices with photodiodes, as well as radar sensors and ultrasonic sensors.
  • the visual sensor is preferably designed in such a way that at least two mutually spaced points, particularly preferably a plurality of points in space, can be detected at the same time.
  • “Fixed sensors” are to be understood as meaning sensors that are not arranged on a vehicle and that essentially do not move.
  • the stationary sensors are preferably permanently mounted in the area of the sub-rail network.
  • the term “stationary” does not preclude a sensor from being able to move a little or from the sensor being able to rotate or pivot in order to adapt the monitoring range of the sensor.
  • the stationary sensors are preferably a few meters above the Arranged rail. But they can also be next to the rail or under the rail.
  • the term “central” relates to the local arrangement of the control device in relation to the stationary sensors and track elements arranged in the rail network and in relation to the vehicles operating in the rail network.
  • the control device is preferably arranged centrally at one point.
  • central does not preclude the control device from being distributed to a few individual 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 are processed at a single local point or at several points, for example on several computers in the central control device. However, it is clear to the person skilled in the art that two control devices can also be provided when two sub-rail networks are connected.
  • the term "in data connection” does not define a direction in which two elements can exchange data with one another.
  • data can be transmitted from a route element to the central control device as well as data from the central control device to a route element.
  • sensor data is not limited to data that are based directly on a measuring method of the sensor.
  • the sensor data can also include position information of the sensor, time and date information.
  • Rail-bound vehicles are understood to mean all vehicles that can run on the rail network, such as trains with a locomotive and train wagons, multiple units or shunting vehicles.
  • Track elements includes switchable elements that are required for the operation of the rail network and rail-bound vehicles.
  • Track elements preferably include movable elements used in the area 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 ones visual sensors can be monitored.
  • the rail network, the route elements and the rail-bound vehicles can be observed by means of the fixed visual sensors.
  • a state such as the state of a signal, a distance or a switch position is measured.
  • the sub-rail network, the route elements and the rail-bound vehicles can be observed so that precise information is available about the observed area.
  • These monitoring options by means of the fixed visual sensors enable a precise recording of an event including the previous course that led to the event and possibly also an estimate of how the event will develop or affect in the future.
  • the entire sub-rail network is preferably monitored with the sensors. Alternatively, individual route sections of the sub-rail network can be omitted.
  • the train control system enables a more dense timetable for the rail-bound vehicles. This enables an increase in the performance of the sub-rail network. The operation of the rail-bound vehicles on the sub-rail network can therefore be made considerably more efficient and safer than with sensors that are used in known train control systems.
  • the central control device can monitor the rail network as a whole and the route elements can be controlled centrally and holistically taking into account all information about the route network.
  • the position of the rail-bound vehicles is known to the central control device at all times.
  • a holistic view of the state of the rail network, the states of the route elements and the states and kinematic variables of the rail-bound vehicles can be created.
  • This holistic monitoring by the central control facility enables conflict situations to be recognized and resolved in real time.
  • train control systems known from the prior art which include sensors located on the rail-bound vehicles and which include several decentralized signal boxes not possible.
  • the train control system for data acquisition preferably includes only the stationary visual sensors.
  • the central control device is independent of conventional elements such as interlockings, axle counters, track vacancy detectors, local line control centers and does not require a connection to these, since the central control device receives the sensor data from the fixed visual sensors. This eliminates the need for the many decentralized interlockings. No physically defined block points, no "radio block centers", no axle counters, no balises and no track vacancy detectors are required. This eliminates the expense of commissioning and maintaining such elements. This makes the maintenance of the rail network much easier. This significantly reduces operating costs.
  • further elements that record data can be provided, in particular for cross-checking the data received from the sensors.
  • the central control device knows, for example, the position and the speed of the rail-bound vehicles using the sensor data from the stationary visual sensors.
  • the control device preferably also contains timetables and route data. If the central control device knows such information, the control device can detect not only the position and speed but also the destination of the rail-bound vehicle. As a result, the central control device can control the route elements in such a way that the rail network can be operated particularly efficiently.
  • the central control device preferably optimizes the train sequence and thereby enables better utilization of the rail network.
  • the control device suggests, for example, an alternative track to the control staff at a stop in the train station or coordinates diversions of rail-bound vehicles in the event of unforeseen events.
  • the central control device preferably controls the switches and the level crossings, waits for the departure receipt and accepts the departure receipt for each stop of a rail-bound vehicle in the rail network.
  • the central control device preferably makes suggestions to the railway staff or informs the railway staff of special incidents. Furthermore, the control device informs the railway staff if, for example, there is no possibility of driving a rail-bound vehicle or if the arrival and departure times change.
  • the central control device preferably asks the railway personnel about the priorities for the strategy in the case of several possibilities.
  • the central control device can calculate safety-relevant variables such as the braking distance of the train using this data.
  • 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 rail operations.
  • the topology of the rail network is preferably known and is included in the monitoring of the rail network and the control of the route elements by the central control device.
  • the entire rail network to be monitored is preferably traversed by a rail-bound vehicle in order to record the topology of the rail network with sensors.
  • the stationary visual sensors preferably recognize the position, speed and acceleration of the rail-bound vehicle passing by.
  • the visual sensors send the recorded sensor data, which preferably contain time and location information, to the central control device. This can precisely record the speed of the train using the sensor data.
  • the visual sensors can preferably also detect people who are in the area of the rail network, for example at a rail construction site. People can, for example, be provided with QR codes, for example on the jacket, with which the train control system can also differentiate between people according to their function. This enables comprehensive monitoring. That increases security. Since the visual sensors preferably continuously monitor the route, the rail-bound vehicle can also stop in unmanageable areas of the route without incurring a safety risk.
  • Events on the monitored rail network can preferably be logged on the basis of the sensor data from the visual sensors. This means that past events can be traced, and the data can be used as information, evidence and as a basis for evaluations.
  • the train control system can control the railway operation largely automatically. This enables efficient rail operations and saves rail staff. This can reduce the costs for rail operations.
  • the control device preferably also manages resources such as track, platform, sidings, and parking tracks with machine intelligence. This allows these resources to be managed efficiently.
  • the central control device is preferably designed redundantly. This reduces the risk of a complete failure of the central control system and enables reliable rail operations. Particularly preferably, several, in particular three, control devices work redundantly next to one another, the control devices checking each other. This further reduces the risk of the central control device failing.
  • the central control device preferably comprises a graphic representation of the rail network with rail-bound vehicles. This means that the rail-bound vehicles can be clearly displayed on the rail network in real time. Depending on the operating mode, the braking distance, the slip distance, the approved reversing route and all other information about the rail-bound vehicles can be graphically displayed in real time. All movements of the rail-bound vehicles, in particular also individual cars, are preferably visible within a defined area. Positions of the route elements, in particular the switch position, can also advantageously be represented in real time. These representations facilitate the overview for the control personnel in the central control facility and enable efficient and safe control of the route elements.
  • the train control system comprises safety elements, including railway barriers, and the stationary visual sensors are arranged in such a way that the safety elements can be monitored and controlled.
  • the position of the safety 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 and whether they are functioning correctly.
  • an alarm signal can be output if a security element does not work correctly or does not work in time.
  • the safety elements do not only include rail gates and barriers, but also contain all elements that are necessary for safe rail operation such as switchable barriers and switchable exit barriers for rail-bound vehicles.
  • the visual sensors preferably also monitor the environment in the area of the security elements.
  • the visual sensors can be used, for example, to detect whether the level crossing is free, whether an object is in front of or on the level crossing, or whether an object is approaching the level crossing.
  • this arrangement of the visual sensors makes sensor data available in real time from the area of the security element. Therefore, for example, real-time images of the area of a level crossing are available in the central control device.
  • the visual sensors do not detect any security elements.
  • the security elements can be detected in a different way.
  • the central control device is preferably connected to the line-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 coordinated centrally.
  • the central control device can send instructions and information to the rail-bound vehicles.
  • Such information can include, for example, timetable changes, information on other rail-bound vehicles, information on the state of the rail network, information on the number of rail passengers, safety information or the like.
  • operations can be made more efficient and safety is increased.
  • the train crew of the rail-bound vehicle can react dynamically to events.
  • the central control device can continuously send travel instructions such as entry clearances for train stations, exit clearances, stop commands or speed specifications depending on the route conditions to the rail-bound Send vehicles. This means that no more signals are required on the sub-rail network. That saves maintenance and upkeep costs.
  • the central control device can also preferably influence the rail-bound vehicles directly, for example reduce the speed or initiate emergency braking. This further increases the safety of rail operations.
  • information from the rail-bound vehicle can preferably also be transmitted to the control device, in particular information about the state and movement of the rail-bound vehicle.
  • the connection between the rail-bound vehicle and the control device enables a quick and dynamic reaction to events. For example, if there is an obstacle on the route, the central control device can send a message to the rail-bound vehicle in good time or reroute the rail-bound vehicle in good time by controlling a switch so that the rail-bound vehicle does not drive into the danger area.
  • the train driver is not only dependent on 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 more reliably than known decentralized interlockings that do not know such information from the rail-bound vehicles .
  • the railway operations can only be controlled by the central control device via the route elements.
  • the central control device is preferably designed in such a way that more than 70% of the safety and route elements, preferably more than 90% of the safety and route elements of the rail network, can be controlled with the central control device taking into account the processed sensor data.
  • This allows the rail-bound vehicles to be used particularly efficiently on the rail network will.
  • the rail-bound vehicles can be operated in closer succession on a route. This increases the operational efficiency.
  • the security of the operation can be further increased.
  • less than 70% of the safety and route elements of the rail network can be controlled by the central control device, especially if in a partial rail network, for example in a first stage, only the areas between stations are equipped with the visual sensors.
  • the stationary sensors are preferably arranged and the number of visual sensors is selected such that the stationary visual sensors monitor more than 70% of the rail network, preferably more than 80% of the rail network, particularly preferably more than 95% of the rail network. Based on the sensor data, this allows a holistic view in the central control device. Thanks to the comprehensive coverage, the rail network can be reliably monitored and events can be responded to in good time. This also increases safety for rail operations.
  • the visual sensors can also monitor less than 70% of the rail network.
  • the remaining part of the rail network can then be monitored, for example, with sensors, axle counters or proximity sensors known from the prior art.
  • the stationary sensors are advantageously arranged in such a way that objects in the area of the sub-rail network can be monitored. This not only makes it possible to determine whether a rail-bound vehicle passes a sensor, but its integrity can also be checked. For example, it can be detected when a load on a freight wagon is not properly secured.
  • the visual sensors can be used to continuously check, for example, whether a train is still complete, i.e. whether all the train cars are still on the train.
  • the sensors can also be arranged in such a way that they only monitor the rail network.
  • the at least two stationary visual sensors comprise a radar sensor, preferably also a camera.
  • the radar sensor can be any sensor that can detect and / or locate objects by means of radio waves whose frequency is below 3000 GHz.
  • the camera can be any device that can capture images.
  • the camera can, for example, be a photo camera that records individual images, a film camera that stores several consecutive images on a medium, or a video camera for recording images in the form of electrical signals.
  • the radar sensor offers the advantage that objects can be reliably detected even in bad weather and very poor visibility, such as fog or snowfall or at night.
  • the camera has the advantage that images of the route, of rail-bound vehicles on the route or of another object in the area of the rails are available at any time.
  • the sensor data of the visual sensors provide more precise information about a state or an event and a possible future development of events.
  • the visual sensors preferably include at least one stereo camera with infrared lighting, at least one radar sensor and, in addition, at least one ultrasonic sensor.
  • This arrangement has the advantage that both images with a lot of information and with the radar sensor and the ultrasonic sensor in bad weather and poor visibility can be reliably detected with the camera.
  • the visual sensors only comprise 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 receive information directly from the stationary visual sensors. This means that redundant information can be transmitted to the rail-bound vehicle, which increases safety.
  • the train crew of the rail-bound vehicle can dynamically request sensor information from the stationary sensors, which does not first have to be transmitted via the central control device. For example, an area that is not yet visible in the direction of travel can be displayed on a screen for the train driver.
  • the stationary visual sensors are preferably in wireless connection with the rail-bound vehicles. This allows easy installation and commissioning without wiring.
  • a data connection does not necessarily have to be wireless.
  • the stationary sensors are preferably arranged in such a way that the monitoring areas overlap.
  • the recorded data can thus be processed three-dimensionally, with which, 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 area can also be achieved with stereo cameras or the like.
  • the stationary sensors are preferably arranged in such a way that at least one sub-rail network can be monitored by the stationary visual sensors, preferably continuously, in preferably two directions of travel of the rail-bound vehicle, and thus redundant sensor data in particular with the stationary visual sensors of the sub-rail network are detectable.
  • the two directions of travel preferably correspond to opposite directions. Thanks to the redundant acquisition, the sensor data can be checked for plausibility. That increases security.
  • the stationary visual sensors can also be arranged in such a way that the sub-rail network can only be monitored in one direction.
  • the stationary visual sensors each include a preferably adaptive computer program, with which events can be abstracted from the recorded sensor data.
  • the computer program preferably runs on a computer unit which is assigned to the specific visual sensor.
  • the event includes, for example, a safety-relevant state, for example if an object is on the rail, a rail-bound vehicle drives too fast or if a safety element does not work properly, for example if a railway barrier cannot be closed completely.
  • the computer program makes it possible for a selection of the recorded sensor data to be made at the sensor. This means that additional sensor data can be recorded for specific, abstracted events or the abstracted events can be processed further. This allows the stationary sensors to be used efficiently and dynamically.
  • the visual sensors do not have a computer program with which events can be abstracted.
  • the data from the visual sensors can be processed and abstracted centrally in the control device.
  • the computer program of the stationary sensors is designed in such a way that an event message can be sent to the central control device, provided that an abstracted event of the sensor data corresponds to an event from a number of predetermined events.
  • a predetermined event can include, for example, compliance with a predetermined clearance profile for the rail-bound vehicle. That means if For example, a branch or other object protrudes into the predefined clearance profile of the route and would thereby hinder the rail-bound vehicle from passing through, the computer program recognizes this and sends an event message to the central control device.
  • the information can contain a relatively small amount of information that the passage is obstructed, or it can also include the size and position of the object or an identification of the object, for example "car on track, coordinates X, Y, Z" etc.
  • the predetermined event can also include, for example, exceeding a maximum speed of the rail-bound vehicle or a specific state of a level crossing or a specific switch position of a switch.
  • the comparison of an event with predetermined events enables only selected events to be sent to the central control device. This means that the data to be transmitted can be significantly reduced. The data connection between the stationary sensors and the central control device is therefore not unnecessarily burdened. In addition, the amount of sensor data to be processed in the central control device can be greatly reduced. This enables fast and reliable processing of the sensor data in the central control device.
  • the stationary sensors can also be designed such that all recorded events or all recorded sensor data are sent to the central control device.
  • the central control device preferably comprises a computer program for the central processing of the event reports from the fixed visual sensors.
  • the control staff of the central control facility only has to monitor the process and only has to deal with extraordinary situations.
  • the computer program can monitor and control the safety and route elements and possibly the rail-bound vehicles.
  • the computer program can run on a single computer of the control device or be distributed over several computers belonging to the central control device. In addition, it is irrelevant whether the computer program as a unit is designed or whether several individual programs form the computer program for central processing of the event messages.
  • the computer program preferably analyzes the event reports received in order, for example, to classify the event reports and then initiate predefined measures corresponding to the event or inform the control personnel of the central control device.
  • measures can include, for example, switching a switch, rerouting a rail-bound vehicle, braking or stopping a rail-bound vehicle, opening or closing a barrier and the like.
  • the computer program preferably processes further data such as train timetables and departure releases from train stations.
  • the computer program can preferably monitor and control the rail-bound vehicles autonomously. This can relieve the control staff. In addition, personnel costs can be saved.
  • the sensor data received in the central control device can also be manually viewed, selected and further processed by a person.
  • the data connection between the central control device and the stationary visual sensors and the data connection between the central control device and the route elements is preferably a wireless data connection.
  • the data connection between the central control device and the security elements is also preferably a wireless data connection. This simplifies the assembly, commissioning and maintenance of the stationary sensors and the safety and route elements, as there is no need for cabling.
  • the data connection is a wired connection.
  • the train control system preferably 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 enables a efficient and reliable communication.
  • the communication network is preferably 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 cellular network. This ensures the data connection even if the first network fails.
  • the position of the stationary visual sensors can preferably be determined in each case by means of a locating device so that the position of the stationary visual sensors can be sent to the central control device by means of a transmitter. This means that the central control device always knows where the sensor data originate from.
  • the position information 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 location device.
  • the stationary visual sensors preferably contain a warning device which can emit acoustic or visual warning signals.
  • a warning device which can emit acoustic or visual warning signals.
  • the visual sensors do not include a warning device.
  • the stationary visual sensors preferably comprise two redundant energy supplies.
  • the stationary sensors preferably each include an energy store.
  • the redundant energy supply provides a seamless power supply of the stationary sensor. This reduces the risk of a sensor failing completely.
  • the control device is preferably designed to process information, this information including at least one piece of information, such as the state of the sensor, the topography of the sub-rail network, the state of the sub-rail network, sensor data from the fixed visual sensors, the position of the safety and route elements, data the safety and route elements, instructions from railway staff on the railway line or in stations as well as data of the rail-bound vehicles (800).
  • information including at least one piece of information, such as the state of the sensor, the topography of the sub-rail network, the state of the sub-rail network, sensor data from the fixed visual sensors, the position of the safety and route elements, data the safety and route elements, instructions from railway staff on the railway line or in stations as well as data of the rail-bound vehicles (800).
  • Information about the state of the sub-rail network can include, for example, information about an object that is located on the rail or the state of the tracks, in particular damage to the tracks.
  • Data from the safety and route elements can be information such as the position of the switch or the position of a barrier.
  • Instructions from the railway staff can be, for example, the departure clearance for a train, an error message for a train or the like.
  • Data from the rail-bound vehicles can include, for example, their position, acceleration or speed or information about the weight, length or condition of the train.
  • control device for a train control system, in particular for a train control system as described above, the control device being stationary and centrally arranged and the central control device being in data connection with stationary visual sensors, the stationary central control device being designed to receive sensor data from the visual sensors to receive and process and wherein the control device is designed such that at least two route elements, preferably two switches, can be controlled with the inclusion of the sensor data processed in the control device.
  • the invention further relates to a method for monitoring at least one partial rail network of a rail network and rail-bound vehicles on this partial rail network and for monitoring and controlling at least two Switchable route elements, in particular switches, 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 stationary visual sensors, sending the sensor data from the visual sensors to a stationary central control device, receiving and processing the sensor data in the fixed central control facility.
  • the central control device influences the at least two route elements in the at least one sub-rail network, taking into account the processed sensor data.
  • the schematic representation in Figure 1 gives an overview of the elements of the train control system 100 according to the invention for monitoring a rail network and rail-bound vehicles such as trains or locomotives 800 such as multiple units, locomotives and shunting vehicles on the rail network.
  • the train control system 100 is also used to monitor and control at least two switchable route elements such as switches 400 or safety elements such as barriers 600 of a level crossing.
  • the train control system 100 comprises a “Traffic Control Center” (TCC) 200 functioning as a central control device, a fixed visual sensor 500 and command transmitter 450 on points 400 and command transmitter 650 on barriers 600.
  • TCC Traffic Control Center
  • the core of the train control system is the TCC 200. This is stationary and centrally located.
  • the stationary visual sensors 500, the command transmitters 450, 650 for points 400 and barriers 600 and on-board devices (OBU) 900 on the locomotives 800 are arranged in a decentralized manner.
  • the TCC 200 is in wireless data connection with the visual sensors 500, the command transmitters 450, 650 and the locomotives 800.
  • the data connections take place via a "wireless wide area network" (WWAN).
  • WWAN wireless wide area network
  • the data connections are in Figure 1 shown with dashed lines.
  • the stationary visual sensors 500 are arranged along all routes 700 of the rail network, at points 400 and at barriers 600 at a level crossing.
  • Each switch 400 and each barrier 600 includes a command generator 450, 650.
  • the TCC 200 includes three redundant computers that monitor one another.
  • the entire rail network of a railway company is continuously monitored with a large number of fixed visual sensors 500. Each rail section is monitored redundantly from the two directions of travel.
  • the visual sensors 500 include stereo cameras, ultrasound and radar sensors and use intelligent software to detect events on the track section being observed.
  • the visual sensors 500 report important events wirelessly to the central TCC 200.
  • higher-level sensor software processes the sensor data from the individual visual sensors 500 and combines the sensor data to form a redundancy-free overall view. Events that change this overall view are reported to a "traffic control software" in the TCC 200.
  • the "Traffic Control Software” controls directly, based on the events received from the fixed visual sensors 500, wirelessly through the fixed command generator 450, 650, the points 400 and barriers 600 and via wireless communication channels the locomotives 800.
  • the TCC 200 knows framework conditions such as timetables and Shunting orders and accepts spontaneous additions to them. Using methods, algorithms and artificial intelligence, the trains are controlled via the rail network in accordance with the timetables and the departure clearances at the stops. People only deal with extraordinary situations with instructions to the TCC 200.
  • a multi-layered safety software in the TCC and a central computer system that corresponds to the safety integrity level 4 (SIL 4) guarantee high redundancy and SIL 4.
  • the entire rail network with all activities is in the TCC 200 can be displayed graphically on screens or screen walls in the desired scale.
  • the visual sensors 500, the command transmitters 450, 650 and the TCC 200 completely replace the extremely expensive decentralized interlockings as indoor systems with the associated outdoor systems such as track vacancy detectors, axle counters, signals and theirs at low cost Cabling.
  • the individual elements of the train control system 100 are described in more detail below.
  • the visual sensor 500 comprises two stereo cameras with infrared LEDs for lighting, two Doppler radars, three ultrasonic sensors and, depending on the version, also LiDAR (light detection and ranging) as well as a smoke and temperature sensor.
  • the cameras and sensors are housed in an all-weather, temperature-controlled housing.
  • the visual sensor 500 also includes software for recognizing predetermined events, a receiver and a transmitter for receiving and transmitting data.
  • the visual sensors 500 are arranged at the edge of the route, at points 400, at barriers 600 and at train stations.
  • the visual sensors 500 can distinguish rolling stock from other objects and detect the beginning and the end of a train.
  • the visual sensors 500 measure the position and the speed of the trains and calculate the acceleration of the train on the basis of several speed measurements. Every 1-3 seconds, the visual sensors 500 send this information with a time stamp ("time stamp") via WWAN to the passing motor vehicle 800 and to the TCC 200. Motor vehicle 800 and TCC 200 can extrapolate this information continuously using the time stamp. This enables reliable speed measurement.
  • time stamp time stamp
  • the visual sensors 500 do not send images, but only forward analyzed events to the TCC 200 or to the locomotives 800.
  • the visual sensors 500 do not react to rabbits, birds, leaves or snow.
  • images from the visual sensors 500 can be requested from the TCC 200 at any time. This will make everything along the rails visible.
  • the visual sensors 500 can reliably detect objects and events even in fog and snow, which is not possible for any human, camera or radar system.
  • the visual sensors 500 detect by means of the smoke and temperature sensors also smoke and the temperature, which is particularly important in tunnels. With the visual sensors 500, the length of a train can be recorded anywhere and its integrity checked. In addition, the acceleration of a train can be precisely recorded. This can be used, for example, to estimate how a situation is developing.
  • the structure and arrangement of the visual sensors 500 are discussed in detail below.
  • the visual sensors 500 monitor the free route in the rail network, as well as the stations and all route and safety elements of the rail network.
  • the monitoring area of the visual sensor 500 comprises the rails with the clearance profile for the trains and an additional margin. In the case of level crossings, the monitoring area additionally includes the level crossing with the barriers 600.
  • the Figures 2a-2c show possible arrangements of the visual sensors 500.
  • the visual sensors 500 are usually attached to a mast on the left side of the rails at a height of 3 m, in the normal case to a catenary mast.
  • the railway company can also use uniform masts 560 for the visual sensors 500 only.
  • the visual sensor 500 is mounted on such a mast 560.
  • the visual sensor 500 can easily be attached to the mast 560 at different heights in the exact direction.
  • An overhead line can be pulled from mast 560 to mast 560, which is inexpensive at least on the route.
  • FIG. 10 shows a possibility of fastening the visual sensor 500 in a tunnel 570 and FIG Figure 2c
  • the visual sensor 500 is attached to a train station or shelter roof 580 with a short bracket 581.
  • Figure 4 shows schematically the arrangement of the visual sensors 500 in a route section 710, 720 of the rail network.
  • a first visual sensor 500.1 has a first monitoring area 591 and observes the rail section 710 in a first direction of travel, in the illustration in FIG Figure 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, in FIG Figure 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 monitor an area of 50 m to 300 m in each direction of travel, depending on the situation.
  • a visual sensor 500 can only describe a situation in its monitoring area. Sensor software in the TCC 200 then combines this partial information into an overall situation.
  • FIG 3 shows schematically the structure of a visual sensor 500.
  • the visual sensor 500 comprises a lower mounting part 510 and an upper part 520.
  • the mounting part 510 is designed so that it can be easily attached in different environments.
  • the mounting part 510 comprises two connections 512, 513 for the supply, one connection 513 being provided for an optional second alternative supply. Cable entries are provided on both front sides and below the assembly part 510, and strain reliefs for overhead line routing are provided on the two front sides.
  • the upper part 520 is plugged onto the mounting part 510 in a watertight manner via a secure plug connection for the supply and is connected to the mounting part 510 with captive screws. If a cable is laid as a “back bone” for the WWAN, this is also fed into the assembly part 510 and connected to the upper part 520 with a plug connection.
  • the upper part 520 contains 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 are each aligned in a direction of travel of the trains on the front sides of the visual sensor 500.
  • an ultrasonic sensor 531 is attached to the side of the visual sensor 500 so that it is perpendicular to the rail.
  • the sensors have 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 comprises a smoke sensor 535, a temperature sensor 536, a warning light 534, a microphone and a loudspeaker for a voice output or an acoustic alarm.
  • the antennas for communication insofar as they cannot remain within the main housing, are mounted adjacent to the outer wall of the upper part 520. They are not free standing.
  • the upper part 520 of the visual sensor 500 comprises a primary communication channel 521 for the WWAN, a backup channel 522 for a public cellular 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 clock unit 528 for creating a synchronized time standard, two 12V supplies 529 and a battery that enables energy to operate the visual sensor for at least 48 hours without any other energy supply.
  • the neuroprocessor 525 in the visual sensor 500 comprises software which analyzes the images from the stereo cameras 532, the Doppler radar 533 or LiDAR and the ultrasonic sensors 531 in real time.
  • the software continuously compares the recorded events with predefined events. If a recorded event matches a predefined event, the software in the visual sensor 500 sends an event message wirelessly to all three redundant computers in the TCC 200.
  • a predefined event can, for example, be a situation in which a branch or other object is in the clearance profile of the Trains protrudes so that trains would be hindered from passing.
  • a predefined event can also be the exceeding of the maximum speed of the train in a certain section of the route, a certain switch position or a certain barrier position or any other condition that would jeopardize rail operations or affect smooth rail operations.
  • the event message of the visual sensor 500 describes exactly the respective event and each event message to the TCC 200 contains additional information about the soft positions of all points 400 in the monitoring area of the respective visual sensor 500, the opening position of the barriers 600 of a level crossing in the respective monitoring area and the state of the visual Sensors 500, such as information about the supply, temperature and information from the smoke alarm 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 cryptically protected.
  • the neuroprocessor 525 in the visual sensor 500 is a standard product together with the software that enables "deep machine learning" as the basis for programming.
  • the software is supplemented with programmed algorithms for correct learning of the application.
  • the software is taught to recognize the specific rail application with millions of images from the acquisition of the rail topology.
  • the software of the neuroprocessor 525 is taught to detect the various events to be sent to the TCC 200. This is taught with many corresponding picture examples.
  • the control personnel can make image queries of specific route sections, of points 400 or barriers 600.
  • the respective visual sensor 500 sends a full image of the camera to the TCC 200.
  • videos can also be transmitted in real time from the visual sensors 500 to the TCC 200.
  • the visual sensor 500 can be installed by a fitter and can easily be connected to the supplies.
  • the visual sensor 500 does not have to be mounted upright.
  • the position sensor 526 determines correction data so that the software can be set to the position of the visual sensor 500.
  • the visual sensor 500 determines its position itself with D-GPS. Once it has found a stable, safe position, it determines its monitoring area based on the rail topology and its view to the outside. After this initial position determination the GPS is only used as a time base. Visual sensors 500 that have no GPS reception obtain their coordinates from the TCC 200. These coordinates are determined for each visual sensor 500 on the basis of the known rail topology.
  • the general processor 523 in the visual sensor 500 controls the time. This time is corrected periodically with the GPS. The time is periodically available as a time message on the WWAN so that visual sensors 500 can synchronize their clock without GPS reception.
  • the exact time stamp ("time stamp") in all messages is important for all devices involved so that they can continuously extrapolate the position messages and to be able to check whether a message is up to date.
  • the stereo cameras 532 each have an opening angle of approx. 90 °, work in color during the day and as an infrared camera in black and white at night.
  • the sensitivity is at least 0.01 lux for color and 0.001 lux for black and white.
  • the horizontal resolution is 1024 pixels.
  • the infrared light illuminates 150 m in night vision mode.
  • a stereo camera 532 of the next visual sensor 500 for the same rail section illuminates the same route from the opposite direction. The light is focused at 20 °.
  • the Doppler radar 533 works in the frequency range around 77 GHz and has a range of 300 m. The opening angle is approximately 20 °.
  • the firmware supplied with the Doppler radar 533 can recognize people and rolling stock directly.
  • Doppler radar 533 is a mass-produced product for the automotive industry, and it usually recognizes various types of vehicles and people directly. This firmware can be adapted for rolling stock in railway operations.
  • lasers can be used if they are available on the market in a smaller design without moving parts. They result in exact 3-dimensional images. However, laser devices cannot see through fog and snowfall.
  • the Doppler radar and the ultrasonic sensors enable 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 predefinable value is exceeded, a message is sent to the TCC 200.
  • the ultrasonic sensors 531 are used in close proximity.
  • An ultrasonic sensor 531 directed at right angles to the rail detects a transition when a train tip or end drives past (length measurement, absolute position for comparison with the radar).
  • the RFID sensor 530 reads the RFID transponders on the passing trains and also detects trains on neighboring rails.
  • the RFID data of the detected wagons of the train are sent to the TCC 200 by the visual sensor 500. If all cars are equipped with RFID transponders, the TCC 200 has a complete image of the rolling stock on the rail network.
  • the TCC 200 can issue commands with coordinate ranges. All visual sensors 500 in a specific coordinate area then receive the command of the TCC 200. For example, the TCC 200 can output an alarm for a specific coordinate area by means of the visual sensors 500. Voice output can also be selected via individual visual sensors 500. To alert the environment, the visual sensors include the warning light 534 and a loudspeaker or horn.
  • Event logs can be created using the sensor data recorded by the visual sensors. This means that all events on each rail section are logged. The past is traceable, the data serve as information, evidence and as a basis for further evaluations.
  • the two redundant supplies 529 transform the incoming voltage and frequency internally to a 12V direct current for the operation of the visual sensor 500 and for charging the battery.
  • the two feeds 529 have different ones Feeds. If only one feed is active, both feeds draw energy from the active feed. The voltage is stabilized between the battery and the consumers because the battery voltage can vary depending on the state of charge.
  • a lithium battery is used as the 12 V battery and is charged by both supplies 529. If the two supplies 529 fail, the battery supplies 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 failure, the fault can normally be rectified within 24 hours and the visual sensor 500 thus remains in operation.
  • Heating the visual sensor 500 ensures a minimum temperature in the housing and on the surface of the stereo cameras 532 of 5 ° C. Normally, the heating to this temperature takes place through the heat emission of the built-in devices.
  • requests can be sent from the TCC 200 to the visual sensor 500, such as requests for images, for video recordings in real time, activation of the voice channel, activation of a download, request for a time message or activation of an alarm (flashing light or acoustic).
  • the rail topology is known and is stored in the TCC 200, in the visual sensors 500 and in on-board devices 900 of the locomotives 800.
  • the rail topology is recorded once and, if necessary, again after a change in the rail network with a prepared locomotive.
  • the locomotive comprises a camera with infrared light, a radar and an ultrasonic sensor in the direction of travel and one camera each, which are aligned at 90 ° to the direction of travel, at a height of 3 m on both sides at the front and rear, as far as possible.
  • This locomotive drives the entire rail network and films and photographs the rail network with high resolution.
  • the locomotive has a system for determining the exact position (WGS84 and height above sea level).
  • the visual sensors 500 are taught to recognize the rail network by means of "deep machine learning”.
  • the detected rail topology is then stored in the memory 524 in the visual sensors 500, in the on-board units 900 of the locomotives 800 and in the TCC 200, in particular also in the SIL-4 computer system.
  • the current rail topology in the visual sensors 500 and the on-board devices 900 can later be updated via the communication channels by means of download and update.
  • the visual sensors 500 maintain a wide area radio 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 enables streaming.
  • the communication networks used by the train control system 100 according to the invention are shown schematically as dashed lines.
  • the WWAN 360 can be seen, via which the visual sensors 500, command transmitters 450, 650 and the on-board devices 900 of the locomotives 800 communicate with the TCC 200.
  • the WWAN 360 can be used with mobile devices for voice and data transmission by railway staff on the route or in stations.
  • Local cellular networks 370 are used as a backup to WWAN 360, for example the G4 cellular network in Switzerland.
  • the WWAN 360 and the backup connections to mobile radio networks 370 are checked periodically by each visual sensor 500, the command transmitters 450, 650, the TCC 200 and the on-board devices 900 of the motor vehicles 800.
  • the TCC 200 receives an acknowledgment from the respective traction vehicle 800. If the TCC 200 does not receive an acknowledgment, the command is repeated via a cellular network 370. The communication works in the opposite direction: if the locomotive 800 does not receive an acknowledgment in response to a request to the TCC 200, the command is repeated via a cellular network 370. If the connection between TCC 200 and locomotive 800 fails, the train is braked.
  • 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 an acknowledgment from all computers of the TCC 200, the visual sensor 500 sends the message to those computers via a cellular network 370 of the TCC 200, from which the visual sensor 500 has not received an acknowledgment.
  • the computers of the TCC 200 send their commands via WWAN 360 to the command generator 450, 650. If a computer of the TCC 200 does not receive an immediate acknowledgment from a command generator 350, 650, the computer also sends the message via a cellular network 370 to the corresponding command generator 450, 650
  • the "Traffic Control Center” (TCC) 200 functions as a central control device.
  • the TCC 200 consists of hardware and software.
  • the hardware consists of three redundant computers 211, 212, 213 and a SIL 4 computer system 220, which conforms to Safety Integrity Level (SIL) 4.
  • SIL Safety Integrity Level
  • Each computer 211, 212, 213 comprises a computer system, communication connections with cryptography and connections for decentralized user interfaces.
  • the TCC 200 organizes and optimizes the train sequence, manages resources such as the rail network, platforms, sidings and the like with machine intelligence. For this purpose, the TCC 200 sets points 400, controls barriers 600 of level crossings, controls trains, makes suggestions to staff, informs staff about malfunctions and asks staff about priorities for several options.
  • 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 traction vehicles 800 and their on-board device 900, for example, initiate emergency braking in an emergency. Furthermore, the TCC 200 can control the entire railway operation largely autonomously, if necessary, only exceptional situations have to be processed by the control staff.
  • Turnout and barrier positions are displayed in the TCC 200 in real time. With the visual sensors 500 each command to a switch 400 or barrier 600 is monitored visually. The control personnel in the TCC 200 are alerted if the command is not carried out in 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. Depending on the operating mode, the braking distance, the slip distance, the approved reversing route and all other information about the train are graphically displayed in real time. Freight wagon shunting areas are marked. This means that all movements within the rail network, including individual train cars, are visible in the TCC 200.
  • the TCC 200 includes sensor software for the coordination and interpretation of the sensor data from the visual sensors 500, "traffic control software", control software, and SIL 4 safety software.
  • the sensor software in the TCC 200 receives all event reports from the visual sensors 500 and can combine the observations of the visual sensors 500 to form a redundancy-free overall view. Furthermore, this sensor software can check the event reports of the visual sensors 500 in a comparative way. Only coordinated and correct event reports are passed on to the higher-level "traffic control software". The sensor software also checks the regularity of the status reports from all visual sensors 500. In the event of errors and malfunctions, suitable measures are taken and maintenance is mobilized.
  • the coordination tasks of the sensor software include in particular the detection of rolling stock across multiple visual sensors 500, the calculation of the length of a train, the determination of the condition of a construction site and the initiation of safety measures as well as the execution of other higher-level coordination tasks.
  • the following describes the software architecture of the "Traffic Control Software" of the TCC from a logical point of view.
  • the layered architecture from bottom to top, comprises an input / output level, an image level, a security level, a control level, a planning level and a user interface.
  • the individual levels are explained in detail below.
  • the tasks of the input / output level include monitoring the visual sensors 500 and command transmitters 450, 650, receiving and sending messages, detecting faults, filtering redundancy from the messages (because of redundant communication paths and because different visual sensors 500 send the same information), Receive messages from the locomotives 800 and send messages to the locomotives 800.
  • the tasks of the mapping level include updating an image of the rail network in real time, recognizing new events and forwarding them.
  • the real-time mapping of the rail network is based on observations by visual sensors 500, in response to messages from the command generators 450, 650 and the locomotives 800.
  • the image in real time represents the actual state.
  • the occupancy of a rail section in front of the train can be recorded using calculated braking curves of the trains.
  • This TARGET image is created on the basis of commands from the control level on points 400, barriers 600 and on trains. For example, the status of a switch as commanded or the desired acceleration, speed or braking of a train is recorded for the target image.
  • the tasks of the security level include checking the distances between trains and developing the distances between trains, taking into account the switch positions and the braking curves of the trains. For example, the security level checks whether all trains are running safely (frontal, flank and collision protection).
  • the tasks of the security level also include checking the barrier positions at level crossings depending on the train movements, the executability of commands from the TCC 200, for example whether a certain switch 400 can currently be turned or whether it is occupied by a moving train.
  • the security level also carries out further security checks, which are specified on an ongoing basis.
  • the tasks of the control level include the direct control of the trains in accordance with the specifications of the planning level and the execution of the instructions of the planning level, provided the instructions have been accepted by the security level.
  • the planning level takes on the planning, with the long-term and short-term timetable serving as the basis for planning.
  • the trains are always planned using the timetable for passenger and freight transport, even when shunting in stations and on the route. Direct entries for movements can only be made in shunting mode in reserved shunting zones.
  • unmanned train operation URO
  • the traction vehicles are remotely controlled in the event of a breakdown by checking the TCC 200.
  • the planning level includes further tasks such as planning the train sequences, planning the train routes, the use of sidings, the use of platforms and the like with intelligent Software. The situation is constantly being re-evaluated and optimized at short intervals.
  • the desired processes are transmitted to the control level for execution. For example, the planning level takes into account the approaching train no longer safely switchable points.
  • the planning level searches for alternative platforms. In the event of malfunctions, the planning level processes various predefined scenarios and suggests the currently sensible scenarios to the operator for selection.
  • the long-term timetables are not worked out 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 in 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 inputs.
  • These user inputs include, for example, schedule additions and changes to the trains (new trains, movements), selection of a scenario proposed by the planning level in the event of disruptions, selection of a change to a normal platform proposed by the planning level in the event of overload, selection of an action when the planning level informs that specifications cannot be carried out from the timetable due to the current state of the rail network or inputs relating to shunting in shunting zones.
  • the user interface also graphically displays a virtual driver's cab. In this virtual driver's cab, video images from the locomotive and images from the front of the locomotive are displayed in real time.
  • the three computers of the TCC 200 are generically monitored.
  • the three computers 211, 212, 213 do not necessarily have to conform to SIL 4, only the SIL 4 computer system 220.
  • New releases for the computers 211, 212, 213 do not have to be certified every time.
  • the command generators 450, 650 and the on-board devices 900 of the locomotives 800 comprise software with a core that must be certified with every change.
  • the computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are programmed and maintained independently of three groups in order to rule out systematic errors. Any calculator 211, 212, 213 includes independent monitoring of the visual sensors 500 and command transmitters 450, 650.
  • the computers 211, 212, 213 of the TCC 200 also include security software designed according to various methods, which is continuously active. It is therefore unlikely that the computers 211, 212, 213 of the TCC 200 will make errors unnoticed. In order to guarantee SIL 4 generically, however, the SIL 4 safety software of the SIL 4 computer system 220 monitors the computers 211, 212, 213 as the last instance.
  • the SIL 4 safety software of the SIL 4 computer system 220 compares the images of the real world, for example, the trains, rolling stock, points 400, barriers 600 and track disruptions, of the three computers 211, 212, 213 with each other. At least two images must match exactly. The staff is alerted if only two images match for more than two minutes.
  • the SIL 4 safety software has generic functions that calculate or recognize dangerous situations in the images. If the SIL 4 safety software of the SIL 4 computer system 220 detects a dangerous situation in an area, the SIL 4 safety 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 is still missing, an emergency brake is initiated after a further six seconds.
  • service brake three seconds
  • the command generators 450 of the switches 400 and the command generators 650 of the barriers 600 are wirelessly connected to the TCC 200 via WWAN.
  • the command generators 450, 650 execute a command from the TCC 200 if the same command has arrived from at least two computers 211, 212, 213 of the TCC 200 within two seconds. If only one command arrives at a command generator 450, 650 or if the commands are different, the three computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are alerted and the command is not executed.
  • the command generators 450, 650 comprise software with a core that must be re-certified with each release.
  • the core checks the function of the command generator 450, 650 and blocks command execution in the event of a fault.
  • the software of the command generator 450, 650 alarms the computers 211, 212, 213 of the TCC 200.
  • the receipt of a command is confirmed by the command generator 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, closed) changes, all computers 211, 212, 213 of the TCC 200 are informed. Every 10 minutes the command generators 450, 650 send a sign of life with the current status to the computers 211, 212, 213 of the TCC 200.
  • the command generators 450, 650 include two redundant supplies, which transform the incoming voltage and frequency internally to 12V direct current.
  • the two feeds each have a different feed. If only one feed is active, both feeds draw energy from the active feed.
  • the multiple units 800 preferably include an on-board device 900.
  • the on-board device 900 is used to display information, for user inputs and to transmit information to the TCC 200 and to receive information and instructions from the TCC 200.
  • the Figure 7 shows schematically 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 cellular network, a general processor 903, a memory 904 in which the track 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 supplies 909, a battery and an interface 910 to the motor vehicle 800.
  • the on-board device 900 also includes an operating and display unit 911.
  • the on-board device 900 also includes a head-up display 912, a loudspeaker 913 and a microphone, four ultrasonic sensors 914, a stereo camera 915 with infrared light for lighting and a Doppler radar 916.
  • the stereo camera 915 with the infrared light has a range of approx. 100 m.
  • the Doppler radar 916 works in the 24 GHz range for wide surveillance within 30m.
  • the ultrasonic sensors 914 measure about 60 m. The ultrasonic sensors are used in particular to keep a distance when you want to hit a train on the same track, towards the end of the track in blind 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 of the route section to be traveled (End Movement 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 over the WWAN and public cellular networks.
  • the on-board device 900 comprises a control unit which is mounted behind the windshield of the motor vehicle 800.
  • the antenna for the WWAN is mounted on the roof of the motor vehicle 800, together with the antennas for the cellular networks.
  • the four ultrasonic sensors 914 are mounted in a shell of the motor vehicle 800 and radiate freely in the direction of travel forwards.
  • the head-up display 912 is located in the driver's cab in front of the driver.
  • the interface 910 of the on-board device 900 ensures the connection of the on-board device 900 to the electronics of the train.
  • the interface 910 is connected to the control unit with a CAN bus and is advantageously mounted close to the engine electronics.
  • the on-board device 900 comprises software with a core that must be recertified with each release of this core.
  • the core checks the function of the on-board device 900 and blocks the execution of commands in the event of a fault or stops the train.
  • the software of the on-board device 900 alerts the TCC 200.
  • the time is set using the GPS. If there is no GPS reception, the time from the WWAN is used.
  • the position reported by the visual sensors 500 is compared to the GPS position. Deviations (without tunnel, covered stations, etc .; only with good satellite reception) are alerted to the TCC 200.
  • the battery of the on-board device 900 supplies energy for 30 days in reduced operation (stand by) without charging. In normal operation, the battery is charged from the on-board network of the motor vehicle 800.
  • the interface 910 to the motor vehicle 800 enables the motor vehicle 800 to be influenced completely via the on-board device 900. So there can be functions for the Driving, accelerating and braking of the motor vehicle 800 and, for example, the operation of the pantograph can be controlled via the on-board device 900.
  • the driver With the head-up display 912, the driver is shown the exact position to stop and other information is shown that would otherwise be displayed with notice boards, such as the maintenance area.
  • the train driver can use the communication means of the on-board device 900 to hold conversations with the control personnel of the TCC 200, the dispatcher, the train driver of other trains and the railway personnel at the stations.
  • a connection can be established with the on-board device 900 as with a mobile radio telephone using function numbers.
  • the invention is not limited to the implementation of the train control system described above.
  • 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 rail operations. It is also not essential that the entire rail network is covered with visual sensors. For example, parts of the rail network can also be monitored with other sensors. In addition to the switches, for example, other controllable route elements can also be controlled by the central control device.
  • the invention can also be carried out differently from the elements described above.
  • the structure of the visual sensors can be designed differently from the structure described above.
  • the rail-bound vehicles do not necessarily have to have an on-board device.

Landscapes

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

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. 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.
    • 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.
  • WO2007/149629 beschreibt ein intelligentes System zur Überwachung von einem Betriebshof mit einer Vielzahl von Videogeräten.
  • US2015/0175179 beschreibt einen multimodalen Fahrwegfahrzeugsensor, welcher einen passiven Sensor, einen aktiven Sensor und einen Identifikationssensor umfasst.
  • 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 der Ansprüche 1 und 14 definiert. 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. Erfindungsgemäß umfasst dieses Teilschienennetz 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.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Zugleitsystem Sicherheitselemente, i inklusive 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.
  • Erfindungsgemäß umfassen die mindestens zwei ortsfesten visuellen Sensoren einen Radarsensor, vorzugsweise ferner eine Kamera. 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.
  • Erfindungsgemäß 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.
  • Erfindingsgemäß 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.
  • Vorzugsweise gibt es 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 211,212, 213 und einem SIL 4-Rechersystem 220, welches Sicherheits-Integritätslevel (SIL) 4 konform ist. Jeder Rechner 211,212, 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. 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. 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 (14)

  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,
    wobei 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Teilschienennetz mindestens zwei Bahnhöfe oder Haltestellen, mehrere Weichen (400), Streckenabschnitten und Sicherheitselemente inklusive Bahnschranken (600) umfasst, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind, dass die Sicherheitselemente überwachbar und steuerbar sind, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) jeweils einen Radarsensor und ein lernfähiges Computerprogramm umfassen, womit aus den erfassten Sensordaten Ereignisse abstrahierbar sind und, 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.
  2. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 1, 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.
  3. Zugleitsystem (100) nach Anspruch 2, 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.
  4. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.
  5. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) derart angeordnet sind, dass Objekte im Bereich des Teilschienennetzes überwachbar sind.
  6. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei ortsfesten visuellen Sensoren (500) ferner eine Kamera (532) umfassen.
  7. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) mit den schienengebundenen Fahrzeugen (800) in Datenverbindung stehen.
  8. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
  9. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Kontrolleinrichtung (200) ein Computerprogramm zum zentralen Verarbeiten der Ereignismeldungen der ortsfesten visuellen Sensoren (500) umfasst.
  10. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.
  11. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
  12. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) eine Warneinrichtung beinhalten, die akustische oder visuelle Warnsignale aussenden kann.
  13. Zugleitsystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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).
  14. 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, 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),
    wobei die zentrale Kontrolleinrichtung (200) unter Einbezug der verarbeiteten Sensordaten mindestens zwei Streckenelemente in dem mindestens einen Teilschienennetz beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilschienennetz mindestens zwei Bahnhöfe oder Haltestellen, mehrere Weichen (400), Streckenabschnitten und Sicherheitselemente inklusive Bahnschranken (600) umfasst, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) die Sicherheitselemente überwachen und steuern, dass die ortsfesten visuellen Sensoren (500) jeweils einen Radarsensor und ein lernfähiges Computerprogramm umfassen, womit aus den erfassten Sensordaten Ereignisse abstrahierbar sind und, dass das Computerprogramm der ortsfesten visuellen Sensoren (500) eine Ereignismeldung an die zentrale Kontrolleinrichtung (200) sendet, sofern ein abstrahiertes Ereignis der Sensordaten mit einem Ereignis aus einer Anzahl vorbestimmter Ereignisse übereinstimmt.
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