EP3782869B1 - Verfahren zur steuerung eines zugs innerhalb eines zugsicherungssystems, zugsicherungssystem - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines zugs innerhalb eines zugsicherungssystems, zugsicherungssystem Download PDF

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EP3782869B1
EP3782869B1 EP19193069.2A EP19193069A EP3782869B1 EP 3782869 B1 EP3782869 B1 EP 3782869B1 EP 19193069 A EP19193069 A EP 19193069A EP 3782869 B1 EP3782869 B1 EP 3782869B1
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EP
European Patent Office
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train
accident
risk assessment
reservation
res
Prior art date
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EP19193069.2A
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EP3782869A1 (de
Inventor
Gerhard WIPPLINGER
Maria de los Ángeles DE LA SIERRA APARICIO
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GTS Deutschland GmbH
Original Assignee
GTS Deutschland GmbH
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Publication date
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Priority to ES19193069T priority patent/ES2958734T3/es
Priority to CA3147820A priority patent/CA3147820A1/en
Priority to AU2020332749A priority patent/AU2020332749A1/en
Priority to KR1020227008740A priority patent/KR20220044842A/ko
Priority to PCT/EP2020/072897 priority patent/WO2021032638A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0062—On-board target speed calculation or supervision
    • 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
    • B61L27/10—Operations, e.g. scheduling or time tables
    • B61L27/16—Trackside optimisation of vehicle or train operation
    • 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
    • B61L2027/202—Trackside control of safe travel of vehicle or train, e.g. braking curve calculation using European Train Control System [ETCS]

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a train within a train protection system and a train protection system for carrying out the method.
  • Track protection and train sequence control for a railway system is currently carried out by technical systems, in particular by signal boxes, electronic train control systems such as ETCS (European Train Control System) and operational rules [2].
  • ETCS European Train Control System
  • [2] discloses the use of a Bayesian network for probabilistic safety analysis (PSA) of railway lines.
  • PSA probabilistic safety analysis
  • Bayesian network also called: Bayesian network, decision network, Bayes(ian) model or probabilistic directed acyclic graph model
  • Bayesian network is a probabilistic graph model (statistical model) that represents a set of variables and their conditional dependencies via a directed acyclic graphs (DAG).
  • DAG directed acyclic graphs
  • Bayesian networks are also used in IT to carry out risk assessments as part of security management [3][4][5][6].
  • [3][4] describes a real-time safety assessment to perform a dynamic assessment of occupational health and safety conditions on the construction site using a hidden Markov model.
  • the safety risk of the workers is linked to the local locations.
  • safety integrity level SIL4 safety integrity level
  • the measured procedure uses a statically created accident model to understand and describe railway accidents.
  • the accident modeling preferably takes place outside of the operation of the train protection system.
  • the following accident classes can be defined, for example: “Derailment”, “Collision with other trains”, “Collision with people/objects”, “Accidents at level crossings”.
  • Accident influencing factors are factors (elements) that can contribute to the events contained in the accident classes, i.e. influence the accident risk, e.g. B. environment, driver, driver decision, train, infrastructure, speed, monitoring).
  • the description of the infrastructure and the train must be determined reliably (SIL4).
  • a predefined route is not released, but an individual route reservation is created, i. H. the route reservation is determined specifically for a selected train at a specific location at a specific time.
  • a route reservation includes a route section selected/determined individually for a specific train on the route to be traveled by the train, but is not pre-configured, i.e. it does not relate to a predetermined route section.
  • the route reservation can be requested directly from the train, from the dispatcher or from an operational entity.
  • the dispatcher/operational facility first determines the extent of the route reservation for the selected train and the route profile.
  • the route profile includes a route description for the extension of the route reservation, in particular a gradient profile (altitude meter of the reservation area as a function of the distance), a speed profile (maximum speed permitted within the reservation area as a function of the distance, axle load permitted, curve superelevation, etc.).
  • the maximum permitted speed in the reservation area depends in particular on the maximum route speed (permitted maximum speed), the maximum train speed (depending e.g. on the axle load, freight train, passenger train, braking capacity, ...), curve radius and superelevation in the curves, temporary speed restrictions.
  • the expansion of the route reservation is influenced, for example, by whether/where there are other trains, workers, construction sites, etc. on the route to be traveled.
  • the request is sent to the risk assessment facility, which carries out a risk assessment for the requested (individually determined) route reservation in real time.
  • the risk assessment is preferably carried out for all accident classes previously determined within the scope of the method.
  • the real-time risk assessment involves determining a risk factor for the movement of the selected train within the route reservation. The risk (risk factor) is therefore determined and evaluated individually for each train in real time.
  • the risk assessment facility uses the real-time risk assessment to assess whether the commands necessary for route reservation (changeover of switches, permission to run trains, ...) are permissible.
  • the risk assessment device can, in the event of fault reports from field elements or position/speed reports from the train, assess whether the current situation leads to a hazard and, if necessary, take safety measures.
  • the method according to the invention adapts dynamically to the traffic situation and the operator's commands, calculates all individual risks and guarantees the highest safety integrity (SIL4) with the highest throughput within a monitored control area before issuing commands to field elements and driving authorizations to trains.
  • SIL4 highest safety integrity
  • the method according to the invention describes a generic solution that does not require any specific configuration and significantly simplifies the approval procedure. It requires no operative rules and no planning of routes or driving licenses.
  • a current position of the train is preferably determined in order to determine the route reservation.
  • the position is preferably determined by means of satellites (GNSS).
  • the integrity of the train is preferably determined to determine the route reservation.
  • the real-time risk assessment is exclusively based on physical and/or geometric parameters of the accident influencing factors and error probabilities of the accident influencing factors is carried out. This is advantageous since the physical and geometric parameters can be determined easily or are known anyway.
  • the error probability of an accident influencing factor influences the error probability of the other accident influencing factors.
  • a probabilistic graph model (graphic model) is used for the real-time risk assessment, which describes the previously created accident model, a graph with nodes and edges being constructed/instantiated, with conditional probabilities being stored for each node.
  • Probabilistic Graphical Models are graphs with nodes and edges, where the nodes represent probability variables. The absence of edges between nodes of the graph indicates their independence.
  • a graph is instantiated/generated that represents the topology of the railway system. The instantiated graph thus describes the train and the geometric infrastructure of the railway system.
  • the graph is preferably a directed and/or acyclic graph, for example a graph according to a Bayesian network (directed and acyclic) or according to a Markov model.
  • the graph model used according to the invention is a statistical model that represents a set of variables (accident influencing factors/nodes) and their dependencies via a directed, in particular acyclic graph (DAG).
  • the dependencies of the nodes are modeled using conditional probabilities.
  • the graph generically describes the previously created accident model.
  • the graph can be viewed as a dynamic network set up to calculate accident probability rates to be calculated (probability network).
  • the generic graph is generated dynamically, ie depending on the current situation, the route reservation and the geometric description of the route and the train.
  • BN Bayesian Network
  • Bayesian Networks are ideal for capturing an event that occurred and predicting the probability that one of several possible known causes was the determining factor.
  • the probability distribution of all accident influencing factors involved is represented compactly using known conditional probabilities.
  • the conditional probabilities for each node are stored in a probability table.
  • the structure of this graph and its probability tables are determined by the accident model.
  • the probability tables include physical and/or geometric parameters of the respective accident influencing factor and their error probabilities.
  • the physical and/or geometric parameters of the train (axle load, braking capacity, ...) can be determined from the train mechanics, for example
  • STAMP Systems-Theoretic Accident Model and Processes
  • STPA Systems Theoretic Process Analysis
  • the nodes are preferably accident class nodes and element nodes, with an element node representing an accident influence factor and with an accident class node representing one of the accident classes.
  • a conditional probability distribution (probability table) of the random variables (accident influence factor) represented by the node is stored for each node.
  • the probability distribution assigns random variables to the parent nodes.
  • the route reservation can include a number of route reservation subareas, with a (preferably directed, in particular acyclic) subgraph being constructed/instantiated for each route reservation subarea, which represents a subnetwork.
  • the route reservation sections are preferably defined (limited) by changes on the route. This means that if a route parameter changes (e.g. due to a new gradient profile, branching of the route by a switch, change of the slope of the route%), the previous route reservation section ends and the next route reservation section begins. This is particularly advantageous since changing the route parameters can affect the accident risk (risk factor).
  • a partial risk factor is therefore calculated for each route reservation sub-area.
  • the accident risk of the various route reservation sections can depend on different accident influencing factors.
  • the subnets of the different route reservation sections can thus include different types and numbers of nodes.
  • the route reservation is only released if the accident risk (sub-risk factor) is less than the acceptable risk factor in each route reservation section.
  • the risk factor for the entire route reservation is calculated as the sum of the partial risk factors.
  • Position reports of the train are preferably determined at time intervals and transmitted to the risk assessment device. After of each position report, data obtained from the position reports for route reservation sections are entered in the graph.
  • a position report preferably includes position data, train information (e.g. train integrity, train length) and speed information.
  • train information e.g. train integrity, train length
  • speed information e.g. speed information
  • the subnets are interconnected, forming a dynamic network so that a change in one subnet can lead to changes in the other subnets.
  • the risk assessment device is set up to use a graph model to calculate a risk factor for a specific route reservation at SIL4 level, to compare this risk factor with a previously defined acceptable risk factor and, if necessary, to release the route reservation if the calculated risk factor is less than the acceptable risk factor.
  • the transmission device is preferably arranged in the train.
  • the risk assessment device preferably has interfaces to field elements of the train protection system.
  • the field elements can be controlled and monitored via these interfaces in order to create the prerequisites for releasing the route reservation (e.g. by changing points, switching signals, etc.).
  • an operative device for determining the individual route reservation for the train, with the route reservation including a route reservation area and a route profile, with the operative device having an interface to the risk assessment device.
  • the operational device is preferably a device with an interface to a train management system.
  • the train management system is set up to provide a timetable, to control and monitor train traffic according to the timetable, to optimize the current timetable, to identify and solve conflicts in the event of problems in the current train traffic.
  • the operational facility creates the route reservations with current train and route parameters (train length, braking capacity, route properties, track condition) at SILO level.
  • the risk assessment facility does not take any decision as to where the train should go and at what speed profile the train is allowed to move, so it has no influence on the design of the route reservation.
  • the operational facility is preferably also responsible for requesting the route reservation from the risk assessment facility.
  • a request for a route reservation can also be made by the train itself, for example.
  • the device for transmitting train information can be, for example, an on-board unit (OBU) of the train or a trackside device.
  • OBU on-board unit
  • the on-board unit preferably includes a position determination device.
  • figure 1 shows the essential components of the train protection system according to the invention.
  • the core of the control system according to the invention is a risk assessment device MAXd.
  • the risk assessment device MAXd includes elements for route protection and train safety.
  • the risk assessment system can include elements for protecting gangs and securing level crossings.
  • the risk assessment device MAXd receives train information I Z relating to a train for which a route reservation RES is to be released (selected train) from a transmission device OBS via an interface.
  • the train information I Z can include, for example, train position, speed, train length, mass, . . .
  • the train position is determined using a train detection device VD .
  • the train detection device VD and the transmission device OBS can (but do not have to) be arranged in the train.
  • the transmission device OBS can be, for example, a control device on the vehicle act.
  • the risk assessment device MAXd receives information I FE from field elements FE relating to the current states of the field elements FE via a further interface.
  • the risk assessment device MAXd is set up to forward commands K to the field elements in order to create the prerequisites for releasing a route reservation (RES).
  • the risk assessment device MAXd can be set up to transmit driving licenses MA to trains.
  • the MA driving license can also be communicated to the train via trackside signals (not shown).
  • the transmission device OBS is arranged within the train, so that the transmission device OBS can also receive the driver's license MA.
  • the route reservation RES is created outside the SIL 4 area of the train protection system according to the invention.
  • This can be done by an operative device OP , as in figure 2 shown.
  • a computer with business logic for motion control, in particular with decision support software (decision support system), can serve as the "operative device". Instead, however, a dispatcher can also take over part of the tasks of the operational unit.
  • the operational facility OP is responsible for operational optimization (optimization of train journeys). This operational optimization takes place at the SILO level with current parameters (train length, braking capacity, route properties, track condition).
  • the operating facility OP knows the national requirements and the operating rules.
  • the system status is determined by the risk assessment device MAXd SYS (ie field element states, position, speed of trains stc.) transmitted to the operative facility OP.
  • the operative device OP can generate a route reservation RES individually for a special train, ie define the extension of the route reservation RES individually, determine a route profile including a speed profile MP and bring the points into the correct position for the route reservation RES.
  • the operative device OP thus creates a route reservation RES individually for a selected train.
  • a query A of the route reservation (request for the release of a previously created route reservation RES) is sent to the risk assessment device MAXd, also via the operational device OP.
  • the operative device communicates with a train management unit TMS, which is responsible for planning the train journeys.
  • the system status SYS is transmitted to the train management unit TMS, since this is required so that the train management unit TMS can possibly intervene dispositively; e.g. B. to divert following trains in case of disruption of a train on the route.
  • the main task of the risk assessment device MAXd is to calculate a risk assessment for a requested route reservation RES based on a previously set up accident model AccM and on the basis of the train information I Z and the field element information I FE . Based on the risk assessment, the risk assessment device MAXd decides whether the requested route reservation RES is released and the train in question receives the corresponding driving license MA. The real-time risk assessment takes place at SIL4 level.
  • figure 3 shows the sequence of the method according to the invention: If the risk assessment device MAXd receives a request A for a route reservation RES for a specific train, the risk assessment device calculates MAXd uses the accident model AccM and the available train information I Z and field element information I FE in real time a risk factor RF for the requested route reservation RES, or several partial risk factors for route reservation sections of the route reservation RES. If the risk factor RF is below a previously defined acceptable limit value Lim, the risk assessment device MAXd transmits commands K to the field elements FE for setting the field element settings necessary for the route reservation RES. As soon as the necessary field element settings have been made (ie the route reservation RES is “passable”), the risk assessment device issues the driving license MA. If the determined risk factor RF is above the acceptable limit value Lim, no commands K and no driving license MA are issued. Instead, information regarding the rejection of request A can be transmitted to the operational unit OP, so that it can create an alternative route reservation.
  • the risk assessment device MAXd uses the accident model
  • Accident classes e.g. derailments, collisions with other trains, collisions with people/objects, accidents at level crossings
  • AccM accident model
  • the accident model is represented by a directed graph G of a graph model, for example by a Bayesian network.
  • figure 4 shows a corresponding graph for the accident class "derailment" D.
  • the accident class D represents a node (accident class node - shown oval) of the graph G.
  • the graph G also includes element nodes (shown round), each element node representing an accident influencing factor (here: Driver VD, driver decisions VDDE, on-board system (monitoring) S, speed V, infrastructure INF, train RS, environmental influences E ).
  • the accident influencing factors considered in the present case have the following associated geometric/physical parameters/error rates, which are taken into account when creating the probability tables:
  • Accident Impact Factor Network Node
  • Geometric/physical parameters/ error rate ETCS mode Probability for different security modes (route observation by driver (staff responsibility SR), driving on sight (OS), full supervision (FS) driver Error rate of the corresponding driver driver decision Probabilities for braking, accelerating, no action Train Error rate of the train, speed, axle load, curve radius, superelevation in curves Environment Probability of landslides, avalanches, falling rocks speed Braking performance of the train, Acceleration ability of the train infrastructure Error rate of track, type of train, speed of train Monitoring (OBU) probability of surveillance mode (SR, OS, FS); depends on the availability rates of the onboard system
  • the edges of the graph G indicate which accident influencing factors influence other accident influencing factors.
  • a probability table is stored for each node, with the probability table not containing "trained data” but route data, train data and error rates of elements and their conditional probabilities (depending on other accident class nodes).
  • the graph forms a "probability network" which depends on the topology of the railway system (i.e. on the geometric description the infrastructure and the train).
  • a change in the train or line properties eg maximum allowed speed also changes the probability table.
  • the calculation of the probabilities stored in the probability table is deterministic.
  • figure 5 shows a speed profile MP of a train with a train length LT within a 260 m long route reservation RES.
  • the route reservation RES is divided into route reservation sections, with a subnetwork in the form of a partial graph for each route reservation section, analogous to figure 4 , is created.
  • a multiplicity of partial graphs/subnets are thus created for a route reservation RES, which together form a graph for the route reservation RES to be assessed.
  • a subnet is in figure 5 shown as an example with nodes filled in black.
  • the individual subnets are in figure 5 drawn on the respective route sections (distance d) within the route reservation RES.
  • the route reservation sub-areas are defined by changes on the route (e.g. change of switch position, change of maximum permitted speed). Due to these changes on the route, the probabilities of the accident influencing factors change and thus the influence of the individual accident influencing factors on the accident probability of the accident class to which the accident influencing factors are linked. In areas where the train is to be braked, the subnets are therefore lined up closer together.
  • the subnets are interconnected (Dynamic Bayesian Network), so that a change in one subnet can also lead to changes in the other subnets.
  • An accident influencing factor of a reservation partition influences i.e. the corresponding accident influencing factor of a subsequent reservation sub-area.
  • the probability table for a specific accident influencing factor therefore differs for different reserved sub-areas, so that the probability tables for the different reserved sub-areas and thus also the risk factors must be calculated separately.
  • the subnets can differ in the number and type of nodes and/or in the probability tables stored for the nodes.
  • the subdivision into partial reservation areas is preferably carried out in such a way that the length of a partial reservation area is at most as long as the length LT of the train for which the route reservation RES applies.
  • the probability of the nodes can be updated/recalculated, for example as soon as there is a current report of the train's position.
  • a position report includes z. B. position data, train data, speed information, information regarding train integrity.
  • the data of the new position report is entered in the graph and the data is newly entered for all reservation sub-areas (relative to the current train position ahead). This means that, for example, at a speed node that previously only had a probability of a certain speed, the specific reported speed is entered. Of course, this influences the probabilities of the following nodes. These probabilities are calculated using the probability tables.
  • a node can either represent a probability (e.g. for a specific speed) or have entered a specific value (e.g. a specific speed).
  • the invention enables a holistic view of all relevant elements of the SIL4 safety logic to evaluate the risk for each train individually and in real time, in particular whether the current situation does not lead to a hazard and whether safety measures must be taken.
  • a Bayesian network is used as a mathematical approach, which is generated dynamically depending on the current situation.
  • the geometric description of the infrastructure and the train is used for the structure of this network and its probability tables.
  • the train dynamics are calculated using known physical laws.
  • the safety concept according to the invention adapts dynamically to the traffic situation and the commands of the operators, calculates all individual risks and guarantees the highest safety integrity (SIL4) while at the same time the highest throughput for all relevant elements within the control area before issuing commands to field elements and authorizations to move trains.
  • the approach according to the invention is a generic solution that does not require any specific configuration and significantly simplifies the approval process.

Landscapes

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

Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zugs innerhalb eines Zugsicherungssystems und ein Zugsicherungssystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Zur Vermeidung von Unfällen im Eisenbahnbetrieb ist es bekannt, automatische Zugsicherungssysteme (Fahrwegsicherung und Zugfolgesicherung) einzusetzen [1][7][8].
  • Fahrwegsicherung und Zugfolgesicherung für ein Eisenbahnsystem erfolgt derzeit durch technische Anlagen, insbesondere durch Stellwerke, elektronische Zugsicherungssysteme, wie bspw. ETCS (European Train Control System) und operative Regeln [2].
  • Für die Auslegung eines Eisenbahnsystems gemäß dem Stand der Technik wird vorab einmalig eine statische Gefahrenanalyse und eine Risikobewertung für die Planung von Infrastruktur und operativen Betrieb durchgeführt.
  • [2] offenbart die Verwendung eines Bayes'schen Netzwerks für die probabilistische Sicherheitsanalyse (PSA) von Eisenbahnlinien.
  • Ein Bayes'sches Netzwerk (auch genannt: Bayes'sches Netzwerk, Entscheidungsnetzwerk, Bayes(ian)-Modell oder probabilistisch gerichtetes azyklisches Graphenmodell) ist ein probabilistisches Graphenmodell (statistisches Modell), das einen Satz von Variablen und ihre bedingten Abhängigkeiten über einen gerichteten azyklischen Graphen (DAG) darstellt.
  • Damit ein Eisenbahnsystem, bei dem eine Risikoanalyse bei der Infrastrukturplanung durchgeführt wird, sicher betrieben werden kann, wird es so ausgelegt, dass auch der langsamste und längste Zug sicher geleitet werden kann. Dies führt jedoch dazu, dass das System für die meisten Züge zu defensiv ausgelegt ist (zu lange Gleisabschnitte, zu große Bremsabstände ...), so dass in der Regel keine optimale Streckenauslastung erreicht wird. Darüber hinaus werden statische Fahrstraßen und statische Fahrerlaubnisse erstellt. Aufgrund verschiedener Zugtypen und verschiedener Fahrstraßen erfordert dies einen hohen Projektierungs- und Verifikationsa ufwand .
  • Bayes'sches Netzwerke werden auch im IT-Bereich eingesetzt, um Risikobewertungen im Rahmen von Security-Management durchzuführen [3][4][5][6].
  • [3][4] beschreibt eine Echtzeit-Sicherheitsbewertung zur Durchführung einer dynamischen Bewertung von Arbeitsschutzzuständen auf der Baustelle mithilfe eines Hidden Markov-Modells. Dabei wird das Sicherheitsrisiko der Arbeiter mit den Standorten vor Ort verknüpft.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Sicherung eines Zugs innerhalb eines Zugsicherungssystems und ein Zugsicherungssystem vorzuschlagen, mit deren Hilfe die Planung, Konfiguration/Projektierung, Zulassung vereinfacht werden kann und die Streckenauslastung mit einem hohen Sicherheitslevel (safety integrity level SIL4) optimiert werden kann.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Zugsicherungssystem gemäß Anspruch 11.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • Erstellung eines Unfallmodells, wobei Unfallklassen und Unfalleinflussfaktoren bestimmt werden;
    • Ermittlung einer für den Zug individuellen Streckenreservierung, indem ein Streckenreservierungsbereich und ein Streckenprofil ermittelt wird;
    • Versenden einer Anfrage zur Freigabe der ermittelten Streckenreservierung an eine Risikobewertungseinrichtung;
    • Durchführen einer Echtzeitrisikobewertung für die Streckenreservierung mittels der Risikobewertungseinrichtung für zumindest einen Teil der ermittelten Unfallklassen, wobei ein Risikofaktor für die Streckenreservierung ermittelt wird, und als Ergebnis ermittelt wird, ob der Risikofaktor akzeptabel ist;
    • Freigabe oder Ablehnung der Streckenreservierung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Risikobewertung.
  • Das gemessene Verfahren verwendet ein statisch erstelltes Unfallmodell, um Eisenbahnunfälle zu verstehen und zu beschreiben. Die Unfallmodellierung erfolgt vorzugsweise außerhalb des Betriebs des Zugsicherungssystems. Als Unfallklassen können beispielsweise definiert werden: "Entgleisung", "Kollision mit anderen Zügen", "Kollision mit Personen/Objekten", "Unfälle auf Eisenbahnkreuzungen". Unter Unfalleinflussfaktoren versteht man Faktoren (Elemente), die zu den in den Unfallklassen enthaltenen Ereignissen beitragen können, also das Unfallrisiko beeinflussen, z. B. Umwelt, Fahrer, Fahrerentscheidung, Zug, Infrastruktur, Geschwindigkeit, Überwachung). Die Beschreibung u.a. der Infrastruktur und des Zugs muss dazu sicher (SIL4) ermittelt werden.
  • Gemäß der Erfindung wird nicht eine vordefinierte Fahrstraße freigegeben, sondern es wird eine individuelle Streckenreservierung erstellt, d. h. die Streckenreservierung wird speziell für einen ausgewählten Zug an einem bestimmten Ort zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt. Eine Streckenreservierung umfasst einen individuell für einen bestimmten Zug angewählten/ermittelten Streckenabschnitt der vom Zug zu befahrenden Strecke, ist jedoch nicht vorprojektiert, betrifft also keinen vorgegebenen Streckenabschnitt.
  • Die Streckenreservierung kann vom Zug direkt, vom Fahrdienstleiter oder von einer operativen Einrichtung angefragt werden. Dazu ermittelt der Fahrdienstleiter/die operative Einrichtung zunächst die Ausdehnung die Streckenreservierung für den ausgewählten Zug und das Streckenprofil. Das Streckenprofil umfasst eine Streckenbeschreibung für die Ausdehnung der Streckenreservierung, insbesondere ein Gradientenprofil (Höhenmeter des Reservierungsbereichs in Abhängigkeit von der Distanz), ein Geschwindigkeitsprofil (innerhalb des Reservierungsbereichs erlaubte maximale Geschwindigkeit abhängig von der Distanz erlaubte Achslast, Kurvenüberhöhung usw.). Die im Reservierungsbereich maximal erlaubte Geschwindigkeit ist insbesondere abhängig von der maximalen Streckengeschwindigkeit (erlaubte Höchstgeschwindigkeit), der maximalen Zuggeschwindigkeit (abhängig z. B. von der Achslast, Güterzug, Personenzug, Bremsvermögen, ...), Kurvenradius und Überhöhung in den Kurven, temporäre Langsamfahrstellen. Die Ausdehnung der Streckenreservierung wird bspw. davon beeinflusst, ob/wo sich weitere Züge, Arbeiter, Baustellen usw. auf der zu befahrenden Strecke befinden.
  • Die Anfrage erfolgt an die Risikobewertungseinrichtung, welche in Echtzeit eine Risikobewertung für die angefragte (individuell ermittelte) Streckenreservierung durchführt. Vorzugsweise wird die Risikobewertung für alle zuvor im Rahmen des Verfahrens ermittelten Unfallklassen durchgeführt. Die Echtzeitrisikobewertung umfasst die Ermittlung eines Risikofaktors für die Bewegung des ausgewählten Zugs innerhalb der Streckenreservierung. Das Risiko (Risikofaktor) wird also für jeden Zug individuell und in Echtzeit ermittelt und bewertet.
  • Die Risikobewertungseinrichtung verwendet die Echtzeit-Risikobewertung, um zu beurteilen, ob die für Streckenreservierung notwendigen Kommandos (Umstellen von Weichen, Fahrerlaubnis für Züge, ...) zulässig sind. Dazu wird die Unfallwahrscheinlichkeit (Risikofaktor) für die vordefinierten Unfallklassen ermittelt. Wenn der Risikofaktor unter einem zuvor festgelegten Grenzwert bleibt (Risikofaktor = akzeptabel), werden die für die Streckenreservierung notwendigen Kommandos (z. B. Stellung von Weichen, Signalen usw.) ausgeführt und die Streckenreservierung wird freigegeben. Die Freigabe der Streckenreservierung erfolgt also, wenn die für die Streckenreservierung benötigten Feldelemente gestellt sind (z. B. korrekte Weichenstellung, Signalstellung, Anweisung der Bahnübergangsöffnung). Die Freigabe der Streckenreservierung bewirkt eine Ausgabe einer Fahrberechtigung (movement authority) an einen Zug.
  • Mit der erfindungsgemäßen Risikobewertung kann die Risikobewertungseinrichtung bei Störungsmeldungen von Feldelementen oder Positions-/Geschwindigkeitsmeldungen des Zuges beurteilen, ob die aktuelle Situation zu einer Gefährdung führt und, wenn nötig, Sicherheitsmaßnahmen unternehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren passt sich dynamisch der Verkehrssituation und den Befehlen des Betreibers an, berechnet alle individuellen Risiken und garantiert höchste Sicherheitsintegrität (SIL4) bei gleichzeitig höchstem Durchsatz innerhalb eines überwachten Kontrollbereichs, bevor es Befehle an Feldelemente und Fahrberechtigungen an Züge erteilt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine generische Lösung, die keine spezifische Projektierung benötigt und das Zulassungsverfahren wesentlich vereinfacht. Es benötigt keine operativen Regeln und keine Projektierung von Fahrstraßen oder Fahrerlaubnissen.
  • Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Streckenreservierung eine aktuelle Position des Zugs bestimmt. Die Positionsbestimmung erfolgt vorzugsweise mittels Satelliten (GNSS).
  • Um zu vermeiden, dass ein Zugteil auf der Strecke liegen bleibt und eine Gefahr für andere Züge darstellt, wird zur Ermittlung der Streckenreservierung vorzugsweise die Integrität des Zugs bestimmt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Echtzeitrisikobewertung ausschließlich auf Grundlage von physikalischen und/oder geometrischen Parametern der Unfalleinflussfaktoren und von Fehlerwahrscheinlichkeiten der Unfalleinflussfaktoren durchgeführt wird. Dies ist vorteilhaft, da die physikalischen und geometrischen Parameter einfach ermittelt werden können oder sowieso bekannt sind.
  • Die Fehlerwahrscheinlichkeit eines Unfalleinflussfaktors beeinflusst die Fehlerwahrscheinlichkeit der anderen Unfalleinflussfaktoren.
  • Bei einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Echtzeitrisikobewertung ein probabilistisches Graphenmodell (graphisches Modell) verwendet, welches das zuvor erstellt Unfallmodell beschreibt, wobei ein Graph mit Knoten und Kanten aufgebaut/instanziiert wird, wobei für jeden Knoten bedingte Wahrscheinlichkeiten hinterlegt sind. Probabilistische Graphische Modelle (PGM) sind Graphen mit Knoten und Kanten, wobei die Knoten Wahrscheinlichkeitsvariablen repräsentieren. Die Abwesenheit von Kanten zwischen Knoten des Graphen zeigt deren Unabhängigkeit an. Erfindungsgemäß wird ein Graph instanziiert/generiert, der die Topologie des Eisenbahnsystems repräsentiert. Der instanziierte Graph beschreibt also den Zug und die geometrische Infrastruktur des Eisenbahnsystems.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem Graphen um einen gerichteten und/oder azyklischen Graphen, z.B. ein Graph gemäß Bayes'schen Netzwerk (gerichtet und azyklisch) oder gemäß einem Markov Modell.
  • Das erfindungsgemäß verwendete Graphenmodell ist ein statistisches Modell, das einen Satz von Variablen (Unfalleinflussfaktoren/Knoten) und ihre Abhängigkeiten über einen gerichteten, insbesondere azyklischen Graphen (DAG) darstellt. Die Abhängigkeiten der Knoten werden über bedingte Wahrscheinlichkeiten modelliert Der Graph beschreibt generisch das zuvor erstellte Unfallmodell. Der Graph kann als ein dynamisches Netzwerk betrachtet werden, das dazu eingerichtet ist, Unfallwahrscheinlichkeitsraten zu berechnen (Wahrscheinlichkeitsnetzwerk). Der generische Graph wird dynamisch, d.h. abhängig von der aktuellen Situation, der Streckenreservierung und der geometrischen Beschreibung der Strecke und des Zuges erzeugt. Idealerweise wird als Graph ein Bayes'sches Netzwerk (BN) verwendet, da Bayes'sche Netzwerke ideal sind, um ein aufgetretenes Ereignis zu erfassen und die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, das eine von mehreren möglichen bekannten Ursachen der entscheidende Faktor war. Dabei wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung aller beteiligten Unfalleinflussfaktoren unter Ausnutzung bekannter bedingter Wahrscheinlichkeiten kompakt repräsentiert. Die bedingten Wahrscheinlichkeiten für jeden Knoten sind in einer Wahrscheinlichkeitstabelle hinterlegt. Die Struktur dieses Graphen und dessen Wahrscheinlichkeitstabellen werden durch das Unfallmodell bestimmt. Die Wahrscheinlichkeitstabellen umfassen physikalisch und/oder geometrische Parameter des jeweiligen Unfalleinflussfaktors sowie deren Fehlerwahrscheinlichkeiten. Die physikalischen und/oder geometrischen Parameter des Zuges (Achslast, Bremsvermögen, ...) können beispielsweise aus der Zugmechanik ermittelt werden
  • Zur Erstellung des Unfallmodells wird vorzugsweise ein systemtheoretischer Ansatz STAMP (Systems-Theoretic Accident Model and Processes) mit einer systemtheoretische Prozessanalyse STPA (Systems Theoretic Process Analysis) verwendet. Das Unfallmodell stellt die kausalen Abhängigkeiten zwischen Unfalleinflussfaktoren und Unfallklassen dar und dient als Basis für die Struktur des Graphen. Statt STAMP/STPA können auch andere Methoden verwendet werden.
  • Bei den Knoten handelt es sich vorzugsweise um Unfallklasseknoten und Elementknoten, wobei ein Elementknoten einen Unfalleinflussfaktor und wobei ein Unfallklassenknoten eine der Unfallklassen repräsentiert.
  • Für jeden Knoten ist eine bedingte Wahrscheinlichkeitsverteilung (Wahrscheinlichkeitstabelle) der durch den Knoten repräsentierten Zufallsvariablen (Unfalleinflussfaktor) hinterlegt. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ordnet Zufallsvariablen den Elternknoten zu.
  • Die Streckenreservierung kann mehrere Streckenreservierungsteilbereiche umfassen, wobei für jeden Streckenreservierungsteilbereich ein (vorzugsweise gerichteter, insbesondere azyklischer) Teilgraph aufgebaut/instanziiert wird, der ein Subnetz darstellt.
  • Die Streckenreservierungsteilbereiche sind vorzugsweise definiert (begrenzt) durch Änderungen auf der Strecke. D. h., dass wenn sich ein Streckenparameter ändert (z. B. aufgrund eines neuen Gradientenprofils, Aufzweigung der Strecke durch eine Weiche, Änderung der Steigung der Strecke ...), endet der vorherige und beginnt der nächste Streckenreservierungsteilbereich. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da eine Änderung der Streckenparameter das Unfallrisiko (Risikofaktor) beeinflussen kann. Es wird also für jeden Streckenreservierungsteilbereich ein Teil-Risikofaktor berechnet. Dabei kann das Unfallrisiko der verschiedenen Streckenreservierungsteilbereiche von unterschiedlichen Unfalleinflussfaktoren abhängen. Die Subnetze der verschiedenen Streckenreservierungsteilbereiche können also unterschiedliche Arten und Anzahl von Knoten umfassen. Die Streckenreservierung wird nur dann freigegeben, wenn in jedem Streckenreservierungsteilbereich das Unfallrisiko (Teil-Risikofaktor) kleiner als der akzeptable Risikofaktor ist. Der Risikofaktor für die gesamte Streckenreservierung berechnet sich als Summe der Teil-Risikofaktoren.
  • Vorzugsweise werden in zeitlichen Abständen Positionsmeldungen des Zugs bestimmt und an die Risikobewertungseinrichtung übermittelt. Nach jeder Positionsmeldung werden für Streckenreservierungsteilbereiche aus den Positionsmeldungen erhaltene Daten in den Graphen eingetragen.
  • Eine Positionsmeldung umfasst vorzugsweise Positionsdaten, Zuginformationen (z. B. Zugintegrität, Zuglänge) und Geschwindigkeitsinformation. Sobald eine Positionsmeldung des Zuges (OBU) aktualisiert wird, werden die aktuellen Daten der Positionsmeldung in den Graphen eingetragen und es wird zumindest für die vorausliegenden (bezogen auf die aktuelle Position des Zugs) Streckenreservierungsteilbereich der Graph neu berechnet.
  • Die Subnetze sind untereinander verbunden, bilden also ein dynamisches Netzwerk, so dass eine Änderung in einem Subnetz zu Änderungen in den andere Subnetzen führen kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Zugsicherungssystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Zugsicherungssystem umfasst
    • eine Risikobewertungseinrichtung zur Erstellung einer Echtzeitrisikobewertung für eine zuvor bestimmte Streckenreservierung für einen Zug anhand eines Unfallmodells und zur Übermittlung von Kommandos an Feldelemente; und
    • eine Übermittlungseinrichtung zur Übermittlung von Zuginformationen betreffend den Zug, wobei die Übermittlungseinrichtung eine Schnittstelle zu der Risikobewertungseinrichtung aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Risikobewertungseinrichtung ist dazu eingerichtet, mithilfe eines Graphenmodells einen Risikofaktor für eine bestimmte Streckenreservierung auf SIL4-Ebene zu berechnen, diesen Risikofaktor mit einem zuvor festgelegten akzeptablen Risikofaktor zu vergleichen und ggf. die Streckenreservierung freizugeben, falls der berechnete Risikofaktor kleiner ist als der akzeptable Risikofaktor.
  • Die Übermittlungseinrichtung ist vorzugsweise im Zug angeordnet.
  • Vorzugsweise weist die Risikobewertungseinrichtung Schnittstellen zu Feldelementen des Zugsicherungssystems auf. Über diese Schnittstellen können die Feldelemente angesteuert und überwacht werden, um die Voraussetzungen zur Freigabe der Streckenreservierung zu schaffen (z.B. durch Umstellung von Weichen, Schalten von Signalen usw.).
  • Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zugsicherungssystems ist eine operative Einrichtung (OB) vorhanden zur Ermittlung der für den Zug individuellen Streckenreservierung, wobei die Streckenreservierung einen Streckenreservierungsbereich und, ein Streckenprofil umfasst, wobei die operative Einrichtung eine Schnittstelle zur Risikobewertungseinrichtung aufweist.
  • Die operative Einrichtung ist vorzugsweise eine Einrichtung mit Schnittstelle zu einem Train Management System. Das Train Management System ist dazu eingerichtet, einen Fahrplan zur Verfügung zu stellen, den Zugverkehr entsprechend dem Fahrplan zu steuern und zu überwachen, den aktuellen Fahrplan zu optimieren, bei Problemen im aktuellen Zugverkehr Konflikte zu erkennen und zu lösen.
  • Die operative Einrichtung erstellt die Streckenreservierungen mit aktuellen Zug- und Streckenparametern (Zuglänge, Bremsvermögen, Streckeneigenschaften, Gleiszustand) auf SILO-Ebene.
  • Die Risikobewertungseinrichtung übernimmt keine Entscheidung, wo der Zug hinfahren soll, und mit welchem Geschwindigkeitsprofil sich der Zug bewegen darf, hat also keinen Einfluss auf die Ausgestaltung der Streckenreservierung.
  • Vorzugsweise ist die operative Einrichtung auch dafür zuständig, die Streckenreservierung bei der Risikobewertungseinrichtung anzufragen. Alternativ hierzu kann eine Anfrage für eine Streckenreservierung beispielsweise auch vom Zug selbst erfolgen.
  • Bei der Einrichtung zur Übermittlung von Zuginformationen kann es sich beispielsweise um eine On-Board-Unit (OBU) des Zuges oder eine streckenseitige Einrichtung handeln.
  • Vorzugsweise umfasst die On-Board-Unit (OBU) eine Positionsbestimmungseinrichtung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Zugsicherungssystem kann die Betriebsoptimierung (Optimierung der Zugfahrten, Konfliktlösung) auf SILO-Ebene mit aktuellen Parametern erfolgen, wohingegen die Risikoanalyse flexibel in Echtzeit auf SIL4-Ebene erfolgt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Darstellung des SIL4-Bereichs einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems.
    Fig. 2
    zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherungssystems mit SILOBereich.
    Fig. 3
    zeigt den Ablauf der verschiedenen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Fig. 4
    zeigt einen Graphen eines probabilistischen Graphenmodells basierend auf einem Unfallmodell mit einem Unfallklasseknoten und einer Vielzahl von Elementknoten.
    Fig. 5
    zeigt ein Geschwindigkeitsprofil einer Streckenreservierung sowie Subnetze des für die Risikobewertung erstellten Graphen für die Streckenreservierung.
  • Figur 1 zeigt die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Zugsicherungssystems. Das Kernstück des erfindungsgemäßen Steuerungssystems ist eine Risikobewertungseinrichtung MAXd.
  • Die Risikobewertungseinrichtung MAXd umfasst Elemente zur Fahrwegsicherung und Zugfolgesicherung. Darüber hinaus kann die Risikobewertungseinrichtung Elemente zum Rottenschutz und zur Sicherung von Eisenbahnkreuzungen umfassen.
  • Die Risikobewertungseinrichtung MAXd erhält von einer Übermittlungseinrichtung OBS über eine Schnittstelle Zuginformationen IZ betreffend einen Zug, für den eine Streckenreservierung RES freigegeben werden soll (ausgewählter Zug). Die Zuginformationen IZ können beispielsweise Zugposition, Geschwindigkeit, Zuglänge, Masse, ... umfassen. Die Zugposition wird mittels einer Zugdetektionseinrichtung VD ermittelt. Die Zugdetektionseinrichtung VD und die Übermittlungseinrichtung OBS können (müssen aber nicht) im Zug angeordnet sein. Bei der Übermittlungseinrichtung OBS kann es sich beispielsweise um eine fahrzeugseitige Steuereinrichtung handeln. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zugformationen IZ von einer (Zug)externen Übermittlungseinrichtung an die Risikobewertungseinrichtung MAXd übermittelt werden und/oder dass die Zugdetektionseinrichtung VD streckenseitig angeordnet ist.
  • Die Risikobewertungseinrichtung MAXd erhält über eine weitere Schnittstelle Informationen IFE von Feldelementen FE betreffend die momentanen Zustände der Feldelemente FE.
  • Die Risikobewertungseinrichtung MAXd ist dazu eingerichtet, Kommandos K an die Feldelemente weiterzugeben, um die Voraussetzungen für eine Freigabe einer Streckenreservierung (RES) zu schaffen. Darüber hinaus kann die Risikobewertungseinrichtung MAXd dazu eingerichtet sein, Fahrerlaubnisse MA an Züge zu übermitteln. Alternativ kann die Fahrerlaubnis MA auch über streckenseitige Signale dem Zug mitgeteilt werden (nicht dargestellt). In Figur 1 wird davon ausgegangen, dass die Übermittlungseinrichtung OBS innerhalb des Zuges angeordnet ist, sodass die Übermittlungseinrichtung OBS auch die Fahrerlaubnis MA entgegennehmen kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Streckenreservierung RES außerhalb des SIL 4 Bereichs des erfindungsgemäßen Zugsicherungssystems erstellt. Dies kann durch eine operative Einrichtung OP erfolgen, wie in Figur 2 gezeigt. Als "operative Einrichtung" kann ein Rechner mit einer Businesslogik zur Bewegungssteuerung, insbesondere mit einer Entscheidungsunterstützungs-Software (Decision Support System) dienen. Stattdessen kann aber auch ein Fahrdienstleiter einen Teil der Aufgaben der operativen Einheit übernehmen. Die operative Einrichtung OP ist zuständig für die Betriebsoptimierung (Optimierung der Zugfahrten). Diese Betriebsoptimierung findet auf SILO-Ebene mit aktuellen Parametern (Zuglänge, Bremsvermögen, Streckeneigenschaften, Gleiszustand).
  • Die operative Einrichtung OP kennt die nationalen Anforderungen und die Betriebsregeln. Von der Risikobewertungseinrichtung MAXd wird der Systemzustand SYS (d.h. Feldelementzustände, Position, Geschwindigkeit von Zügen stc.) an die operative Einrichtung OP übertragen. Auf dieser Basis kann die operative Einrichtung OP individuell für einen speziellen Zug eine Streckenreservierung RES generieren, d. h. die Ausdehnung der Streckenreservierung RES individuell festlegen, ein Streckenprofil umfassend ein Geschwindigkeitsprofil MP ermitteln und die Weichen in die richtige Lage für die Streckenreservierung RES bringen.
  • Die operative Einrichtung OP erstellt also individuell für einen ausgewählten Zug eine Streckenreservierung RES. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform erfolgt eine Anfrage A der Streckenreservierung (Bitte um Freigabe einer zuvor erstellten Streckenreservierung RES) an die Risikobewertungseinrichtung MAXd ebenfalls über die operative Einrichtung OP.
  • Die operative Eirichtung kommuniziert mit einer Zugmanagementeinheit TMS, die für die Planung der Zugfahrten zuständig ist. Insbesondere wird der Systemzustand SYS an die die Zugmanagementeinheit TMS übertragen, da dieser benötigt wird, damit die Zugmanagementeinheit TMS eventuell dispositiv eingreifen kann; z. B. zum Umleiten von nachfolgenden Zügen bei Störung eines Zuges auf der Strecke.
  • Hauptaufgabe der Risikobewertungseinrichtung MAXd ist es, eine Risikobewertung für eine angefragte Streckenreservierung RES auf Basis eines zuvor aufgestellten Unfallmodells AccM sowie auf Basis der Zuginformationen IZ und der Feldelementinformationen IFE zu berechnen. Anhand der Risikobewertung entscheidet die Risikobewertungseinrichtung MAXd, ob die angefragte Streckenreservierung RES freigegeben wird und der betreffende Zug die entsprechende Fahrerlaubnis MA erhält. Die Echtzeitrisikobewertung findet auf SIL4-Ebene statt.
  • Figur 3 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens: Erhält die Risikobewertungseinrichtung MAXd eine Anfrage A für eine Streckenreservierung RES für einen bestimmten Zug, berechnet die Risikobewertungseinrichtung MAXd anhand des Unfallmodells AccM und der ihr zur Verfügung stehenden Zuginformationen IZ und Feldelementinformationen IFE in Echtzeit einen Risikofaktor RF für die angefragte Streckenreservierung RES, bzw. mehrere Teil-Risikofaktoren für Streckenreservierungsteilbereiche der Streckenreservierung RES. Liegt der Risikofaktor RF unterhalb eines zuvor festgelegten akzeptablen Grenzwertes Lim, übermittelt die Risikobewertungseinrichtung MAXd Kommandos K an die Feldelemente FE zur Einstellung der für die Streckenreservierung RES notwendigen Feldelementeinstellungen. Sobald die notwendigen Feldelementeinstellungen vorgenommen wurden (die Streckenreservierung RES also "befahrbar" ist), erteilt die Risikobewertungseinrichtung die Fahrerlaubnis MA. Liegt der ermittelte Risikofaktor RF oberhalb des akzeptablen Grenzwertes Lim, werden keine Kommandos K und keine Fahrerlaubnis MA erteilt. Stattdessen kann eine Information bezüglich der Ablehnung der Anfrage A an die operative Einheit OP übermittelt werden, sodass diese eine alternative Streckenreservierung erstellen kann.
  • Zur Erstellung des Unfallmodell AccM, welches für die erfindungsgemäße Echtzeitrisikobewertung verwendetet wird, werden auf Basis von Zug- und Streckeneigenschaften Unfallklassen (beispielsweise Entgleisung, Kollisionen mit anderen Zügen, Kollision mit Personen/Objekten, Unfälle auf Eisenbahnkreuzungen) definiert.
  • Das Unfallmodell wird durch einen gerichteten Graphen G eines Graphenmodells dargestellt, bspw. durch ein Bayes'sches Netzwerk. Figur 4 zeigt einen entsprechenden Graphen für die Unfallklasse "Entgleisung" D. Die Unfallklasse D stellt einen Knoten (Unfallklassenknoten - oval dargestellt) des Graphen G dar. Der Graph G umfasst des Weiteren Elementknoten (rund dargestellt), wobei jeder Elementknoten einen Unfalleinflussfaktor darstellt (hier: Fahrer VD, Fahrerentscheidungen VDDE, fahrzeugseitige System (Überwachung) S, Geschwindigkeit V, Infrastruktur INF, Zug RS, Umwelteinflüsse E).
  • Die im vorliegenden Fall berücksichtigten Unfalleinflussfaktoren weisen folgende zugehörigen geometrischen/physikalischen Parameter/Fehlerraten auf, die bei der Erstellung der Wahrscheinlichkeitstabellen berücksichtigt werden:
    Unfalleinflussfaktor (Netzwerkknoten) Geometrische/physikalische Parameter/ Fehlerrate
    ETCS Mode Wahrscheinlichkeit für verschiedene Sicherungsmodi (Fahrwegbeobachtung durch Triebfahrzeugführer (staff responsibility SR), Fahren auf Sicht (on sight - OS), Vollüberwachung (full supervision - FS)
    Fahrer Fehlerrate des entsprechenden Fahrers
    Fahrerentscheidung Wahrscheinlichkeiten für Bremsen, Beschleunigen, keine Aktion
    Zug Fehlerrate des Zuges, Geschwindigkeit, Achslast, Kurvenradius, Überhöhung in Kurven
    Umwelt Wahrscheinlichkeit für Erdrutsch, Lawinen, Steinschlag
    Geschwindigkeit Bremsleistung des Zuges, Beschleunigungsvermögen des Zuges
    Infrastruktur Fehlerrate des Gleises, Art des Zuges, Geschwindigkeit des Zuges
    Überwachung (OBU) Wahrscheinlichkeit des Überwachungsmodus (SR, OS, FS); hängt von den Verfügbarkeitsraten des Onboard Systems ab
  • Die Kanten des Graphen G (durch Pfeile dargestellt) zeigen an, welche Unfalleinflussfaktoren andere Unfalleinflussfaktoren beeinflussen. Pro Knoten ist eine Wahrscheinlichkeitstabelle hinterlegt, wobei die Wahrscheinlichkeitstabelle keine "trainierten Daten", sondern Streckendaten, Zugdaten sowie Fehlerraten von Elementen und deren bedingte Wahrscheinlichkeiten (in Abhängigkeit von anderen Unfallklasseknoten) umfasst.
  • Der Graph bildet ein "Wahrscheinlichkeitsnetzwerk", welches von der Topologie des Eisenbahnsystems abhängt (also von der geometrischen Beschreibung der Infrastruktur und des Zuges). Eine Veränderung der Zug- oder Streckeneigenschaften (z.B. maximal erlaubte Geschwindigkeit) ändert auch die Wahrscheinlichkeitstabelle. Die Berechnung der in der Wahrscheinlichkeitstabelle hinterlegten Wahrscheinlichkeiten ist deterministisch.
  • Figur 5 zeigt ein Geschwindigkeitsprofil MP eines Zuges einer Zuglänge LT innerhalb einer 260m langen Streckenreservierung RES. Die Streckenreservierung RES ist in Streckenreservierungsteilbereiche aufgeteilt, wobei für jeden Streckenreservierungsteilbereich ein Subnetz in Form eines Teilgraphen, analog zu Figur 4, erstellt wird. Für eine Streckenreservierung RES werden also eine Vielzahl von Teilgraphen/Subnetzen erstellt, die zusammen einen Graphen für die zu beurteilende Streckenreservierung RES bilden. Ein Subnetz ist in Figur 5 beispielhaft mit schwarz ausgefüllten Knoten dargestellt. Die einzelnen Subnetze sind in Figur 5 an den jeweiligen Streckenabschnitten (Distanz d) innerhalb der Streckenreservierung RES eingezeichnet. Es werden also für mehrere Streckenreservierungsteilbereiche (reservation sub areas) entlang des Verlaufs des Reservierungsbereichs Subnetze erstellt und instanziiert (Instanziierung = Berechnung der konkreten Wahrscheinlichkeitstabellen für einzelnen Knoten). Die Streckenreservierungsteilbereiche sind definiert durch Änderungen auf der Strecke (z. B. Änderung der Weichenstellung, Änderung der maximal zulässigen Geschwindigkeit). Aufgrund dieser Änderungen auf der Strecke ändert sich Wahrscheinlichkeiten der Unfalleinflussfaktoren und somit der Einfluss der einzelnen Unfalleinflussfaktoren auf die Unfallwahrscheinlichkeit der Unfallklasse, mit der die Unfalleinflussfaktoren verknüpft sind. In Bereichen, in denen der Zug abgebremst werden soll, sind daher die Subnetze enger aneinandergereiht. Darüber hinaus sind die Subnetze untereinander verbunden (Dynamic Bayesian Network), so dass eine Änderung in einem Subnetz auch zu Änderungen in den anderen Subnetzen führen kann. Ein Unfalleinflussfaktor eines Reservierungsteilbereichs beeinflusst also den entsprechenden Unfalleinflussfaktor eines nachfolgenden Reservierungsteilbereichs.
  • Für verschiedene Reservierungsteilbereiche unterscheidet sich daher die Wahrscheinlichkeitstabelle für einen bestimmten Unfalleinflussfaktor, so dass die Wahrscheinlichkeitstabellen für die verschiedenen Reservierungsteilbereiche und somit auch die Risikofaktoren separat berechnet werden müssen. Die Subnetze können sich durch die Anzahl und Art der Knoten und/oder durch die zu den Knoten hinterlegten Wahrscheinlichkeitstabellen unterscheiden. Die Unterteilung in Reservierungsteilbereiche erfolgt vorzugsweise so, dass die Länge eines Reservierungsteilbereichs höchstens so lang ist wie die Länge LT des Zuges, für den die Streckenreservierung RES gilt.
  • Die Wahrscheinlichkeit der Knoten können aktualisiert/neu berechnet werden, beispielsweise sobald eine aktuelle Positionsmeldung des Zuges vorliegt. Eine Positionsmeldung umfasst z. B. Positionsdaten, Zugdaten, Geschwindigkeitsinformation, Information betreffend Zugintegrität. Dazu werden die Daten der neuen Positionsmeldung in den Graphen eingetragen und es wird für alle (bezüglich der aktuellen Zugposition vorausliegenden) Reservierungsteilbereiche die Daten neu eingetragen. D.h. dass z.B. bei einem Geschwindigkeitsknoten, der vorher nur eine Wahrscheinlichkeit für eine gewisse Geschwindigkeit hatte, die konkrete gemeldete Geschwindigkeit eingetragen wird. Die beeinflusst dann natürlich die Wahrscheinlichkeiten der nachfolgenden Knoten. Diese Wahrscheinlichkeiten werden mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitstabellen berechnet. Ein Knoten kann also entweder eine Wahrscheinlichkeit (z.B. für eine bestimmte Geschwindigkeit) darstellen oder einen konkreten Wert (z.B. eine bestimmte Geschwindigkeit) eingetragen haben.
  • Bevor der Zug aufgrund des herannahenden Endes der Streckenreservierung RES zu bremsen beginnt, besteht die Möglichkeit, dass eine neue/erweiterte Streckenreservierung angefragt wird, um ein Abbremsen des Zuges zu vermeiden. Eine solche Anfrage kann beispielsweise von einem zugseitigen Gerät (On Board Unit) gestellt werden.
  • Durch die individuelle Generierung von Streckenreservierungen und der Durchführung von Echtzeitrisikoanalysen ist es möglich, den Durchsatz der Strecke erheblich zu erhöhen: Befinden sich beispielsweise auf der von Zug A zu befahrenen Strecke noch ein weiterer Zug B innerhalb eines Bereichs, der nach dem Stand der Technik zu einer bestimmten Fahrstraße gehört, dürfte Zug A in diesem Bereich nicht einfahren, solange sich Zug B innerhalb der Fahrstraße befindet. Gemäß der Erfindung hingegen kann für Zug A trotzdem eine individuelle Streckenreservierung festgelegt werden. Die Länge der Streckenreservierung wird dann so festgelegt, dass sie vor Erreichen des Zuges B endet. Im Geschwindigkeitsprofil der Streckenreservierung für Zug A muss Zug A entsprechend abgebremst werden. Gemäß der Erfindung reicht der erfindungsgemäße Reservierungsbereich dann zwar nicht so weit wie die Fahrstraße gemäß dem Stand der Technik. Der Zug A kann aber innerhalb der Streckenreservierung zumindest langsam fahren. Spätestens vor Erreichen der in der Streckenreservierung hinterlegten Bremskurve wird eine neue Streckenreservierung von der operativen Einheit angefragt (da inzwischen vermutlich der Grund für die geplante Bremsung nicht mehr existiert - z. B. Zug B ist weitergefahren).
  • Die Erfindung ermöglicht eine ganzheitliche Sicht auf alle relevanten Elemente der SIL4-Sicherheitslogik, das Risiko für jeden Zug individuell und in Echtzeit zu bewerten, insbesondere ob die aktuelle Situation zu keiner Gefährdung führt und ob Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen. Als mathematischer Ansatz wird dazu ein Bayes'sches Netz verwendet, das dynamisch abhängig von der aktuellen Situation erzeugt wird. Für die Struktur dieses Netzes und dessen Wahrscheinlichkeitstabellen wird die geometrische Beschreibung der Infrastruktur und des Zuges verwendet. Die Zugdynamik wird mit Hilfe bekannter physikalischer Gesetze berechnet. Das erfindungsgemäße Sicherheitskonzept passt sich dynamisch der Verkehrssituation und den Befehlen der Betreiber an, berechnet alle individuellen Risiken und garantiert höchste Sicherheitsintegrität (SIL4) bei gleichzeitig höchstem Durchsatz für alle relevanten Elemente innerhalb des Kontrollbereichs, bevor es Befehle an Feldelemente und Bewegungsbefugnisse an Züge erteilt. Bei dem erfindungsgemäßen Ansatz handelt es sich um eine generische Lösung die keine spezifische Projektierung benötigt und das Zulassungsverfahren wesentlich vereinfacht.
    • Bezugszeichenliste
    • A
    Anfrage zur Freigabe einer Streckenreservierung
    AccM
    Unfallmodell
    D
    Unfallklasse "Entgleisung"
    FE
    Feldelementen
    G
    gerichteter Graph
    IFE
    Informationen
    IZ
    Zuginformationen
    K
    Kommandos an Feldelemente
    Lim
    Grenzwert für Risikobewertung
    LT
    Zuglänge
    MA
    Fahrerlaubnis
    MP
    Geschwindigkeitsprofil
    MAXd
    Risikobewertungseinrichtung
    OBS
    Übermittlungseinrichtung
    OP
    operative Einrichtung
    RES
    Streckenreservierung
    RF
    Risikofaktor
    SYS
    Systemzustand
    TMS
    Zugmanagementeinheit
    VD
    Zugdetektionseinrichtung
    D
    Unfalleinflussfaktor: Zuverlässigkeit des Fahrers
    VDDE
    Unfalleinflussfaktor: Fahrerentscheidungen
    E
    Unfalleinflussfaktor: Gefahren in der Umgebung (z.B. Erdrutsch, Lawine, Überschwemmung)
    INF
    Unfalleinflussfaktor: Schäden der Infrastruktur (z.B. Gleisbruch)
    RS
    Unfalleinflussfaktor: Schäden des Zuges
    S
    Unfalleinflussfaktor: Modus des fahrzeugseitigen Systems
    V
    Unfalleinflussfaktor: erwartete oder aktuelle Geschwindigkeit des Zuges
    Literaturliste
    1. [1] J. Pachl
      • "Systemtechnik des Schienenverkehrs"
      • Vieweg+Teubner Verlag, 2011
    2. [2] Z. Grande et al.
      • "Probabilistic Safety Analysis of High Speed and Conventional Lines Using Bayesian Networks"
      • XII Congreso de Ingenieria del Transporte, Valencia, 2016
      • DOI: http://dx.coi.org/10.4995/CIT2016.2016.3428
    3. [3] D. Lopez "Dynamic Risk Assessment in Information Systems: State-of-the-art" The 6th International Conference on Information Technology, 2013
    4. [4]H. Jiang et al.
      • "Real-Time safety Risk Assesment Based on a Real-Time Location System for Hydropower Construction Sites"
      • Hindawi Publishing Corporation The Scientific World Journal Article ID 235970, 2014,
      • DOI: http://dx.doi.org/10.1155/2014/235970
    5. [5]K. Haslum
      • "A Framework for Distributed Intrusion Prediction and Prevention UsingHidden Markov Models and Online Fuzzy Risk Assessment" Third International Symposium on Information Assurance and Security, 2007
      • DOI: 10.1109/IAS.2007.67
    6. [6]N. Poolsappasit "Dynamic Security Risk Management Using Bayesian Attack Graphs" IEEE Transactions on Dependable and secure computing, Vol. 9, No. 1 January/February 2012
    7. [7]G. Theeg, S. Vlasenko
      • "Railway Signalling & Interlocking"
      • Eurailpress, 2009
    8. [8]P. Stanley
      • "ETCS for Engineers"
      • Eurailpress, 2011

Claims (15)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Zugs innerhalb eines Zugsicherungssystems, umfassend folgende Verfahrensschritte
    • Erstellung eines Unfallmodells (AccM), wobei Unfallklassen und Unfalleinflussfaktoren bestimmt werden;
    • Ermittlung einer für den Zug individuellen Streckenreservierung (RES), indem ein Streckenreservierungsbereich und ein Streckenprofil ermittelt wird;
    • Versenden einer Anfrage (A) zur Freigabe der ermittelten Streckenreservierung (RES) an eine Risikobewertungseinrichtung (MAXd);
    • Durchführen einer Echtzeitrisikobewertung für die Streckenreservierung (RES) mittels der Risikobewertungseinrichtung (MAXd) für zumindest einen Teil der ermittelten verschiedenen Unfallklassen, wobei ein Risikofaktor (RF) für die Streckenreservierung (RES) ermittelt wird, und als Ergebnis ermittelt wird ob der Risikofaktor (RF) akzeptabel ist;
    • Freigabe oder Ablehnung der Streckenreservierung (RES) in Abhängigkeit vom Ergebnis der Risikobewertung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Streckenreservierung (RES) eine aktuelle Position des Zugs bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Streckenreservierung (RES) die Integrität des Zugs bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Echtzeitrisikobewertung ausschließlich auf Grundlage von physikalischen und/oder geometrischen Parametern und von Fehlerwahrscheinlichkeiten der Unfalleinflussfaktoren durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Echtzeitrisikobewertung ein probabilistisches Graphenmodell verwendet wird, welches das zuvor erstellte Unfallmodell (AccM) beschreibt, wobei ein Graph (G) mit Knoten und Kanten aufgebaut/instanziiert wird, wobei für jeden Knoten bedingte Wahrscheinlichkeiten hinterlegt sind
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten Unfallklasseknoten und Elementknoten umfassen, wobei ein Elementknoten einen der physikalischen und/oder geometrischen Parameter eines der Unfalleinflussfaktoren und ein Unfallklassenknoten eine der Unfallklassen repräsentiert.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Graphen (G) um einen gerichteten und/oder azyklischen Graph (G) handelt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten Unfallklasseknoten und Elementknoten umfassen, wobei ein Elementknoten einen der Unfalleinflussfaktoren und wobei ein Unfallklassenknoten eine der Unfallklassen repräsentiert.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckenreservierung (RES) mehrere Streckenreservierungsteilbereiche umfasst, wobei für jeden Streckenreservierungsteilbereich ein Teilgraph aufgebaut/instanziiert wird, der ein Subnetz darstellt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zeitlichen Abständen Positionsmeldungen des Zugs bestimmt und an die Risikobewertungseinrichtung (MAXd) übermittelt werden und dass nach jeder Positionsmeldung für Streckenreservierungsteilbereiche aus den Positionsmeldungen erhaltene Daten in den Graphen (G) eingetragen werden.
  11. Zugsicherungssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit
    • einer Risikobewertungseinrichtung (MAXd) zur Erstellung einer Echtzeitrisikobewertung für eine zuvor bestimmte Streckenreservierung (RES) für einen Zug anhand eines Unfallmodells (AccM) und zur Übermittlung von Kommandos (K) an Feldelemente (FE);
    • einer Übermittlungseinrichtung (OBS) zur Übermittlung von Zuginformationen (Iz) betreffend den Zug, wobei die Übermittlungseinrichtung (OBS) eine Schnittstelle zu der Risikobewertungseinrichtung (MAXd) aufweist.
  12. Zugsicherungssystem nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Risikobewertungseinrichtung (MAXd) Schnittstellen zu Feldelementen (FE) aufweist.
  13. Zugsicherungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine operative Einrichtung (OP) vorhanden ist zur Ermittlung der für den Zug individuellen Streckenreservierung (RES), wobei die Streckenreservierung (RES) einen Streckenreservierungsbereich und ein Streckenprofil umfasst, wobei die operative Einrichtung (OP) eine Schnittstelle zur Risikobewertungseinrichtung (MAXd) aufweist.
  14. Zugsicherungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Übermittlungseinrichtung um eine On-Board-Unit des Zuges oder eine streckenseitige Einrichtung handelt.
  15. Zugsicherungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die On-Board-Unit eine Positionsbestimmungseinrichtung umfasst.
EP19193069.2A 2019-08-22 2019-08-22 Verfahren zur steuerung eines zugs innerhalb eines zugsicherungssystems, zugsicherungssystem Active EP3782869B1 (de)

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