EP4603361A1

EP4603361A1 - Verfahren zur lokalisierung eines schienenfahrzeugs in einem gleisnetzwerk

Info

Publication number: EP4603361A1
Application number: EP24174325.1A
Authority: EP
Inventors: Rolf Weber
Original assignee: Siemens Mobility AG
Current assignee: Siemens Mobility AG
Priority date: 2024-02-16
Filing date: 2024-05-06
Publication date: 2025-08-20

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk anzugeben, mit dem eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit bei gleichzeitig geringem fahrzeugseitigen Energieverbrauch und Wartungsaufwand erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
a) Aussenden eines ersten Ortungssignals durch eine auf dem Schienenfahrzeug und/oder gleisseitig installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs;
b) Empfangen und Auswerten dieses Ortungssignals zu einer ersten vorläufigen Ermittlung des Standorts des Schienenfahrzeugs;
c) Empfangen und Auswerten von mit dem Schienenfahrzeug assosiierbaren Zugsicherungsdaten und/oder Zugreihungsdaten unter Zuhilfenahme des Standorts gemäss der ersten vorläufigen Ermittlung zur Bestimmung eines definitiven Standorts des Schienenfahrzeugs.

Durch diese geschickte Verknüpfung der ersten Ortungssignals und der ohnehin im Bahnbetrieb vorhandenen Daten zur Zugsicherung und/oder Zugreihung kann der Standort eines Schienenfahrzeugs in energetisch- und wartungsmässig vergleichsweise sparsamen Ausgestaltung gelöst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk.
In der schienengebundenen Verkehr ist es für die Logistik und die betriebliche Disposition und auch den Unterhalt von Interesse zu wissen, wo sich die einzelnen Schienenfahrzeuge (Lokomotiven, Triebwagen, Waggons, Güterwagen, etc.) befinden und welche Laufleistung die Schienenfahrzeuge haben. Generell werden heute allgemein in vielen technischen Anwendungen, wie zum Beispiel auch der Fahrzeuglokalisierung, Lokalisierungslösungen mit Satelliten-basierten Systemen (GPS) eingesetzt. Diese Systeme haben bei ausreichendem Vorliegen des GPS-Signals auch eine gute Genauigkeit. Auch können alternativ oder auch ergänzend Systeme zum Einsatz kommen, welche im Streckennetz lokale Leser zur Verfügung haben und vorbeifahrende Wagen, welche mit einem entsprechenden Transponder ausgerüstet sind, erkennen, wie z.B. RFID Tag und RFID Leser.
Sobald aber ein Lokalisierungssystem im Bahn-Umfeld auf einzelnen Schienenfahrzeugen zur Anwendung kommen soll, treten meist die folgenden technischen Probleme auf:

i) Es soll eine Genauigkeit von mindestens einem Meter erreicht werden, was zum Beispiel besonders in einem Depot aufgrund des nur geringen Abstandes der Gleise wünschenswert ist.
ii) Im Besonderen haben einzelne Bahn-Waggons (z.B. Güterwaggons) häufig keine eigene Stromversorgung, weshalb die einzusetzenden fahrzeuggestützten Systeme unter Low Power-Bedingungen zu betreiben und mit Batterien und/ oder z.B. Solarzellen auszurüsten sind. Die Laufzeit derartiger Lösungen ist in der Regel begrenzt und bedeutet einen erheblichen Wartungsaufwand (beispielsweise für einen Batterie-Austausch etc.). Somit sind besonders fahrzeuggestützte RFID-Tags anfällig für diese vorstehend genannten Nachteile.
iii) Die Häufigkeit der Aktualisierung der Ortsmeldung hat einen Einfluss auf die Laufzeit der Ortungsgeräte auf den Bahnwagen. Höhere Genauigkeit aufgrund höherer Senderate geht in der Regel zu Lasten der Laufzeit.
iv) Da die Bahnwagen in Bewegung sind, gibt es Bereiche, in welchen die Ortungsgenauigkeit gross sein muss (z.B. in einem Depot mit vielen einzelnen Gleisen) beziehungsweise andersherum aber auch ungenau sein darf (z.B. auf einer langen Strecke zwischen zwei Bahnhöfen). Dementsprechend wäre das Update der Lokalisierungsdaten im Depot häufiger erforderlich als auf der Strecke.
v) Aufgrund der Bahnstrom-Anlagen (Fahrleitung, Masten) können Störungen und Abschattungen der fahrzeuggestützten GPS-Empfänger oder ähnlichen funkbasierten Ortungssystemen auftreten. Derartige Abschattungen können auch aufgrund der Fahrzeuge selbst bei GPS-Empfängern anderer Schienenfahrzeuge auftreten.
vi) In Tunneln und in topologisch schwierigen Bereichen (Bergstrecke mit scharfen Teileinschnitten etc.) können beispielsweise die Signale der GPS-Satelliten gar nicht empfangen werden.
vii) Erfassungssysteme mit lokalen gleisseitigen Lese-Einheiten sind aufwändig, da die Lese-Einheiten verkabelt werden müssen und bei verzweigten Gleistopologien sehr viele Lese-Einheiten platziert werden müssen.

Das Problem liegt also grundsätzlich nicht in der Möglichkeit mit heute bereits existierenden Systemen eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, sondern vielmehr darin, dass die Umgebungs- und Einsatzbedingungen den Einsatz der Systeme beschränken (fehlende Stromversorgung und damit beschränkte Einsatzdauer und Wartungsaufwand für Batterietausch, vollständiger Ausfall des Satelliten-Empfangs aufgrund der Umgebung, immense Anzahl gleisseitiger Lese-Einheiten erforderlich um ein gesamtes Bahnnetz abzudecken, etc.)
Aktuell werden verschiedene Ansätze gewählt um diese Nachteile zu beseitigen:
Mittels zusätzlicher terrestrischer Sender wird eine Referenz-Bestimmung des Ortes durchgeführt. Dies kann aber auch wieder zu zusätzlichem Stromverbrauch beispielsweise auf dem fahrzeugseitigen GPS-Empfänger des Schienenfahrzeugs führen, was die Einsatzdauer einer derartigen Einheit verkürzt. Seltenes Senden des aktuellen Ortes führt natürlich zu einer Reduktion des Energiebedarfs, aber auch zu einer entsprechend selteneren Aktualisierung bei Bewegung des Schienenfahrzeugs. Häufigeres Senden des aktuellen Ortes führt demgebenüber zu einem erhöhten Wartungsaufwand für die häufiger anfallenden Wechsel der Batterie.
Grundsätzlich besteht dieser Bedarf seitens der Bahn-Betreiber im Bereich der Logistik, aber auch im Bereich der Disposition und des Unterhalts der Schienenfahrzeuge.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk anzugeben, mit dem eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit bei gleichzeitig geringem fahrzeugseitigen Energieverbrauch und Wartungsaufwand erzielt werden kann.
Die Aufgabe wird gemäss der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

a) Aussenden eines ersten Ortungssignals durch eine auf dem Schienenfahrzeug und/oder gleisseitig installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs;
b) Empfangen und Auswerten dieses Ortungssignals zu einer ersten vorläufigen Ermittlung des Standorts des Schienenfahrzeugs;
c) Empfangen und Auswerten von mit dem Schienenfahrzeug assosiierbaren Zugsicherungsdaten und/oder Zugreihungsdaten unter Zuhilfenahme des Standorts gemäss der ersten vorläufigen Ermittlung zur Bestimmung eines definitiven Standorts des Schienenfahrzeugs.

Durch diese geschickte Verknüpfung des Ortungssignals, z.B. des Satellitenortungssignals, und der ohnehin im Bahnbetrieb vorhandenen Daten zur Zugsicherung und/oder Zugreihung kann der Standort eines Schienenfahrzeugs in einer energetisch- und wartungsmässig vergleichsweise sparsamen Ausgestaltung gelöst werden.
Zweckmässigerweise können als auf dem Schienenfahrzeug installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs ein GPS-Gerät und/oder als gleisseitig installierte Einrichtung eine Kamera mit nachgeschalteter Software zur Erkennung von Merkmalen zur Identifizierung des Schienenfahrzeugs und/oder eine RFID-Lese-Einheit verwendet werden.
Bezüglich der ohnehin im Bahnbetrieb vorhandenen Daten ist es besonders zweckmässig, wenn die Zugsicherungsdaten und/oder die Zugreihungsdaten eine oder mehrere der nachfolgenden Informationen aufweisen:

i) Vorgeschichte der Daten zur ersten vorläufigen Ermittlung des Standorts und/oder zum definitiven Standort, wobei der aktuelle Zustand vorzugsweise automatisch zur künftigen Vorgeschichte hinzugefügt wird;
ii) Länge der einzelnen Schienenfahrzeuge, u.a. auch der Lokomotive;
iii) letzte berechnete Geschwindigkeit, insbesondere bestimmt aus dem Delta der Ortsdaten und daraus approximativ der zurückgelegte Weg des Schienenfahrzeugs;
iv) die Topologie des Gleisnetzwerks;
v) Länge von einzelnen Gleisabschnitten, wobei eine Zuglänge und eine Gleislänge und dessen Belegung eine Abhängigkeit aufweisen;
vi) Lage von Weichen zur Bestimmung von überhaupt möglichen Fahrwegen des Schienenfahrzeugs;
vii) Reihenfolge der Wagen bei der letzten eindeutigen Zuordnung, was vorzugsweise auch Bestandteil der vorstehend genannten Vorgeschichte ist, sowie eine Bewegung von Schienenfahrzeugen, welche bisher mit dem zu bestimmenden Wagen/ Lokomotive kombiniert sind; und
viii) Belegung der Gleise aufgrund von Meldungen einer Sicherungsanlage für das Gleisnetzwerk.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Bestimmung des definitiven Standorts des Schienenfahrzeugs unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz durchgeführt wird, wobei vorzugsweise mit der Verifizierung eines mit der künstlichen Intelligenz bestimmten definitiven Standort ein lernendes System ausgebildet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Aussenden eines ersten Ortungssignals durch die auf dem Schienenfahrzeug installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs periodisch erfolgt. Somit kann der Eingang dieses ersten Ortungssignals in einer Auswerteeinheit immer wieder als Trigger angesehen werden, um einen neuen ersten vorläufigen Standorts des Schienenfahrzeugs zu ermitteln und diese Standortinformation entsprechend der weiteren mit dem Schienenfahrzeug assosiierbaren Zugsicherungsdaten und/oder Zugreihungsdaten fortzuschreiben um dann einen definitven Standort des Schienenfahrzeugs zu bestimmen. Es sei hier angemerkt, dass Standort hier natürlich in diesem Zusammenhang nicht heisst, dass das Schienenfahrzeug stehen muss, sondern es kann sich auch um einen dynamischen nur zu einem bestimmten Zeitpunkt bestehenden momentanen Aufenthaltsort des sich weiter fortbewegenden Schienenfahrzeugs handeln.
Zum besonders sparsamen Umgang mit der auf der auf dem Schienenfahrzeug installierten Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs kann es vorgesehen sein, dass die Periodendauer des Aussendens in Bereichen mit hoher Strecken- und/oder Verzweigungsdichte häufiger durchgeführt wird als in Bereichen mit demgegenüber geringerer Strecken- und/oder Verzweigungsdichte. Hierfür kann beispielsweise die von dem GPS-Gerät erfasste Rate der räumlichen Veränderung des Standorts des Schienenfahrzeugs dienen, bei der beispielsweise eine vergleichsweise schnelle Änderung als eine Fahrt auf der Strecke interpretiert wird, wo die Standortsignale nicht so häufig auszusenden sein. Entsprechend kann eine vergleichsweise langsame Veränderung mit eingestreuten Stopps als Fahrt im Bahnhofs- oder Rangierbereich gewertet werden, wo die Standortsignale dann eher häufiger ausgesendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend näher erläutert. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Lokalisierungsgenauigkeit durch die Verknüpfung von verschiedenen Informationen, die in der Regel bereits im Bahnbetrieb vorliegen, erhöht. Ein GPS-Empfänger-System auf einem Eisenbahnwagen oder eine fixe gleisseitig installierten Einrichtung zur Übertragung von Positionsdaten oder zur Erfassung eines fahrzeugseitigen Transponders oder auch einfach eine Video-Einheit mit Bildverarbeitung zur Bestimmung des die Videoeinheit passierenden Fahrzeugs (auch beliebige Kombinationen der vorstehend genannten Komponenten ist möglich) ist die Grund-Einheit und wird im Sinne der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung eines vorläufigen ersten Werts für den Aufenthaltsort genutzt. Eine streckenseitige Auswerte-Einheit empfängt/ermittelt so in definierten zeitlichen Abständen die Lokalisierungsdaten des einzelnen Wagens.
Die Erhöhung der Lokalisierungsgenauigkeit wird nun mittels der Verknüpfung verfügbarer bahntechnischen Daten erreicht. Diese Daten sind beim System Eisenbahn überaus hilfreich, da die Einheit von Zügen einer Logik folgen muss. Das heisst z.B., dass die Reihenfolge der Wagen innerhalb eines Zuges nicht einfach zu geändert werden kann, sondern nur im Kontext der vorhandenen Gleisanlage erfolgen kann, beispielsweise durch das Abhängen eines Wagens und das Versetzen dieses abgehängten Wagens mittels einer Lok in ein anderes Gleis, während die restlichen Wagen des Zuges noch im ursprünglichen Gleis bleiben. Da für dieses Versetzen des Wagens eine entsprechende Fahrstrasse eingestellt werden muss, kann mit der Auflösung dieser Fahrstrasse und der Beobachtung der Bewegnung der Lokomotive ganz sicher gefolgert werden, wo sich der zuvor zum Zugverband gehörende aber nun abgehängte und versetzte Bahnwagen befindet.
Die streckenseitige Auswerte-Logik erarbeitet somit mit sachdienlichen weiteren Informationen eine Verknüpfung von der beispielsweise bekanntgemachten GPS-Position und der nachfolgenden Bewegungen des Bahnwagens, die eben durch eine Reihe von anderen bahntechnischen Informationen nachvollziehbar ist.
Es können zum Beispiel die folgende bahntechnischen Informationen einzeln für sich genommen oder auch in beliebiger Unterkombination verknüpft werden:

a) Vorgeschichte, wobei der jeweils aktuelle Zustand automatisch zu einem Bestandteil der künftigen Vorgeschichte wird;
b) die Länge der einzelnen Wagen sowie der Lokomotive, wobei beispielsweise bei einem Halt der Lokomotive vor einem Haltesignal oder einer Balise aufgrund der bekannten Reihung der Wagen genau bestimmt werden kann, wo genau ein bestimmter Wagen nun steht;
c) letzte berechnete Geschwindigkeit, z.B. aus dem Delta der letzten bekannten Ortsdaten gewonnen, und daraus approximativ der zurückgelegte Weg des Schienenfahrzeugs/Bahnwagens Gleistopologie;
d) Länge der Gleis, wobei die Zuglänge und die Gleislänge sowie dessen Belegung entsprechend eine Abhängigkeit haben
e) Lage der Weichen, weil es hierdurch möglich ist nur die überhaupt möglichen Fahrwege der Züge für die Ortsbestimmung heranziehen zu können; befindet sich beispielsweise eine Weiche für eine bestimmte Zugfahrt in ablenkender Stellung kann der Zug nicht in Geradeaus-Richtung über diese Weiche gefahren sein;
f) wie vorstehend bereits erwähnt, spielt auch die Reihenfolge der Wagen bei der letzten eindeutigen Zuordnung eine wichtige Rolle für die Positionsbestimmung (kann auch bereits in den Daten zur obenstehenden Vorgeschichte umfasst sein;
g) die Bewegung der Fahrzeuge, welche bisher mit dem zu bestimmenden Wagen/ Lokomotive kombiniert waren, wobei hier auf die Daten zur Belegung der Gleise aufgrund der Meldungen der Sicherungsanlage (Freimelde-Einrichtungen, wie z.B. Achszählsysteme, Gleisstromkreise etc.) sehr geeignet sind.

Da ein Zugsverband (z.B. ein Güterzug) immer aus mindestens einer Lokomotive (ein Fahrzeug mit Stromversorgung und Antriebseinheit) und einem oder mehreren Wagen besteht, befindet sich dieser Zugsverband in einem oder auch mehreren Gleisabschnitten und hat zum Zeitpunkt x eine definierte Reihenfolge der Wagen. Das Stellwerk erkennt die Belegung des Gleises (vorausgesetzt, dass das Gleis eine Gleisfreimeldung hat) und kennt die Lage der nächstgelegenen Weichen. Eine Veränderung der Zusammensetzung des Zuges kann nur über eine Bewegung längs der Gleisanlage/ Topologie erfolgen und nur nach den Gesetzen der Zugszusammenstellung (z.B. eine Lok kann die Wagen auf dem Gleis bewegen).
Die Auswerte-Einheit verknüpft so sachgerecht die relevanten verfügbaren Informationen und definiert so den definitiven Standort und die Reihenfolge der einzelnen Wagen. Besonders bei der Frage, welche der zur Verfügung stehenden bahntechnischen Daten auch für die erweiterte Standortbestimmung für die Wagen herangezogen werden sollen, kann sich zum Erarbeiten dieser Auswertungen auch der Einsatz von künstlicher Intelligenz anbieten, damit ein lernendes System entsteht. Dies erscheint hier sehr hilfreich, weil die Topologie des Eisenbahnnetzes nur langsamen Veränderungsprozessen (Anpassungen/ Umbauten) unterliegt. Ebenso ist die Zusammenstellung von Zugsverbänden bezogen auf die Zeit nicht hoch dynamisch, sondern über den Tag relativ stabil.
Somit werden als Eingangsgrösse für die Überlegungen zur vorstehend beschriebenen Erfindung die Nachteile der bekannten Lösungen akzeptiert. Dabei werden die Ungenauigkeiten der bekannten Lösungen nicht durch Einsatz von noch mehr Technik auf der Seite des Lokalisierungssystems (z.B. GPS, RFID-Leseeinheit, GPS Empfänger auf dem Wagen) gelöst, sondern durch die Verknüpfung der streckenseitig bereits vorhandenen Informationen , umfassend die mit dem Schienenfahrzeug assosiierbaren Zugsicherungsdaten und/oder Zugreihungsdaten. Bereits vorhandene Lokalisierungssysteme, wie z.B. GPS Empfänger, Video-Kameras, können in dieses System und Verfahren eingebunden werden. Mittels der genannten Verknüpfungen kann so die Genauigkeit der resultierenden Lokalisierung erhöht werden. Mit dem Einbezug verschiedener bereits vorhandener Lokalisierungssysteme/ Informationen (GPS, RFID, etc.) wird mittels der hier beispielhaft beschriebenen Software/Logik-Lösung eine universell einsetzbare Lokalisierungs-Lösung geschaffen. Nicht die Genauigkeit der einzelnen Lokalisierungssysteme steht im Vordergrund, sondern die Verknüpfung aller vorhandenen Daten zu einer resultierenden Lokalisierungs-Information bezogen auf ein individualisierbares Schienenfahrzeug.

Claims

Verfahren zur Lokalisierung eines Schienenfahrzeugs in einem Gleisnetzwerk, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
a) Aussenden eines ersten Ortungssignals durch eine auf dem Schienenfahrzeug und/oder gleisseitig installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs;

b) Empfangen und Auswerten dieses Ortungssignals zu einer ersten vorläufigen Ermittlung des Standorts des Schienenfahrzeugs;

c) Empfangen und Auswerten von mit dem Schienenfahrzeug assosiierbaren Zugsicherungsdaten und/oder Zugreihungsdaten unter Zuhilfenahme des Standorts gemäss der ersten vorläufigen Ermittlung zur Bestimmung eines definitiven Standorts des Schienenfahrzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als auf dem Schienenfahrzeug installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs ein GPS-Gerät und/oder als gleisseitig installierte Einrichtung eine Kamera mit nachgeschalteter Software zur Erkennung von Merkmalen zur Identifizierung des Schienenfahrzeug und/oder eine RFID-Lese-Einheit verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zugsicherungsdaten und/oder die Zugreihungsdaten eine oder mehrere der nachfolgenden Informationen aufweisen:
i) Vorgeschichte der Daten zur ersten vorläufigen Ermittlung des Standorts und/oder zum definitiven Standort, wobei der aktuelle Zustand vorzugsweise automatisch zur künftigen Vorgeschichte hinzugefügt wird;

ii) Länge der einzelnen Schienenfahrzeuge, u.a. auch der Lokomotive;

iii) letzte berechnete Geschwindigkeit, insbesondere bestimmt aus dem Delta der Ortsdaten und daraus approximativ der zurückgelegte Weg des Schienenfahrzeugs;

iv) die Topologie des Gleisnetzwerks;

v) Länge von einzelnen Gleisabschnitten, wobei eine Zuglänge und eine Gleislänge und dessen Belegung eine Abhängigkeit aufweisen;

vi) Lage von Weichen zur Bestimmung von überhaupt möglichen Fahrwegen des Schienenfahrzeugs;

vii) Reihenfolge der Wagen bei der letzten eindeutigen Zuordnung, was vorzugsweise auch Bestandteil der vorstehend genannten Vorgeschichte ist, sowie eine Bewegung von Schienenfahrzeugen, welche bisher mit dem zu bestimmenden Wagen/ Lokomotive kombiniert sind; und

viii) Belegung der Gleise aufgrund von Meldungen einer Sicherungsanlage für das Gleisnetzwerk.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung des definitiven Standorts des Schienenfahrzeugs unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz durchgeführt wird, wobei vorzugsweise mit der Verifizierung eines mit der künstlichen Intelligenz bestimmten definitiven Standort ein lernendes System ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aussenden eines ersten Ortungssignals durch die auf dem Schienenfahrzeug installierte Einrichtung zur Ortung des Schienenfahrzeugs periodisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer des Aussendens in Bereichen mit hoher Strecken- und/oder Verzweigungsdichte häufiger durchgeführt wird als in Bereichen mit demgegenüber geringerer Strecken- und/oder Verzweigungsdichte.