WO2001007310A1 - Kommunikations- und überwachungsvorrichtung für einen zugverband - Google Patents

Kommunikations- und überwachungsvorrichtung für einen zugverband Download PDF

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WO2001007310A1
WO2001007310A1 PCT/EP2000/006830 EP0006830W WO0107310A1 WO 2001007310 A1 WO2001007310 A1 WO 2001007310A1 EP 0006830 W EP0006830 W EP 0006830W WO 0107310 A1 WO0107310 A1 WO 0107310A1
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locomotive
train
unit
car
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Horst Schmischke
Rolf Wiegand
Hans Kortenhoeven
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Honeywell Ag
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    • B61L15/0081—On-board diagnosis or maintenance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a communication and
  • Radar for speed detection and distance measurement has already been used extensively in railway technology and has proven to be very robust and reliable. It is also known from DE-A-197 21 901 to carry out obstacle detection by means of a microwave radar device arranged on a rail vehicle and radar reflectors arranged in the track area.
  • FIG. 1 shows the diagram of a train set in block diagram representation
  • Figure 2 is a block diagram of a radar unit
  • Figure 3 is a block diagram of a decoding unit
  • FIGs 4a, 4b signal diagrams of the locomotive and wagon protocol.
  • the present invention makes use of a radar coupler system (RKS) which consists of two radar units which can be operated in the transmit / receive mode.
  • RKS radar coupler system
  • the special features and characteristics of the RKS according to the invention can be seen in the following: With the help of the RKS, a secure data reduction with a high data rate can be realized in the train set.
  • the RKS can either be arranged in the coupling between the car or the car and the locomotive or on the buffer beam. Bidirectional data traffic using a combined transmitter / receiver unit is possible with high data security.
  • the device makes it possible to continuously monitor the completion and completion of the train. After determining the end of the train at
  • composition switches the last RKS into the free space monitoring mode (distance measurement) to determine whether up to a distance of e.g. 3m there is still a non-coupled car.
  • Specific data can be stored and called up in every car.
  • the data can be sent in any direction. That data can be passed from the locomotive to the wagons or from the wagons to the locomotive, this data e.g. specify the initiation of braking processes or status messages.
  • the RKS is in an energy-saving sleep mode. The RKS is activated via the locomotive as the master.
  • a train set consists of a locomotive 10 and several carriages 12, 12 ', 12 "...
  • Essential components of the device are a radar unit RU, a decoding unit DU and a user program unit SW. While the locomotive 10 normally only has a radar unit, the carriages 12, 12 ', ... have a radar unit at each end, which cooperate with a common decoding unit. All radar units are of identical design and enable bidirectional operation a car coding and car data can be programmed The system is initialized from the locomotive.
  • a radar unit RU is shown in more detail.
  • a microwave module 14 with a horn antenna 16 serves as the transmit / receive unit (transceiver).
  • a Gunn diode D1 in the module 14 serves to excite the carrier frequency (24 GHz), the excitation voltage being provided by a Gunn supply unit 18.
  • a varactor diode D2 in the module 14 is used for frequency modulation of the carrier frequency and is controlled by a modulator 20. For example, pulse packets (see FIGS. 4a, 4b) with a length of 60nsec are frequency-modulated with a frequency of 140MHz.
  • a mixer diode D3 serves as
  • Receiving element and is connected to various components in a manner yet to be explained. These components include a branch for data reception, which consists of a low-pass filter 22, a detector 24 and a line driver 26; on the other hand, a receiver / comparator 28, which activates a power switch-on logic and sequence control 30 at a certain strength of the received signal, which then energizes the elements 18-26 and wakes the radar unit from sleep mode; and finally an element 32 for distance measurement, which is also connected to the output of the mixer diode D3.
  • a branch for data reception which consists of a low-pass filter 22, a detector 24 and a line driver 26
  • a receiver / comparator 28 which activates a power switch-on logic and sequence control 30 at a certain strength of the received signal, which then energizes the elements 18-26 and wakes the radar unit from sleep mode
  • an element 32 for distance measurement which is also connected to the output of the mixer diode D3.
  • the decoding unit DU has the following components as an interface to the radar units RU and a superordinate data bus system: a bidirectional data transfer module with receivers 34, 34 ', line drivers 36, 36', units 38, 38 'for pulse shaping and data direction detection and Units 40, 40 'for data / clock separation / insertion.
  • a processor module 42 which has a processing unit 44 which is connected to an identification code chip 46 which e.g. assigns the car a unique address and is also connected via a data / address bus 48 to a double-port memory 50 with random access (dual port RAM), via which the connection to external hardware and software by means of a further data / address bus 52 he follows.
  • an identification code chip 46 which e.g. assigns the car a unique address and is also connected via a data / address bus 48 to a double-port memory 50 with random access (dual port RAM), via which the connection to external hardware and software by means of a further data / address bus 52 he follows.
  • FIGS. 4a and 4b show the selected data coding, wherein pulse packets with a length of 66nsec are used and a binary 1 is coded by a nonexistent pulse packet followed by two available pulse packets and a binary 0 by two nonexistent pulse packets followed by an existing pulse packet are.
  • the locomotive and car protocol differ in that the actual address (8 bits) is preceded by 8x200nsec with a high level for the locomotive and 15,034nsec with a low level followed by 66nsec with a high level for the car.
  • the possible operating states of the device according to the invention are described below:
  • Both Gunn diodes are not supplied (no transmitter works); also no varactor diode.
  • An energized receiving amplifier monitors the level of the mixer diode and activates the complete radar unit when a defined voltage level is established at the mixer diode.
  • Gunn diode e.g. supplied with + 5V
  • the antenna transmits 24GHz to the car transceiver.
  • - Varactor diode 0V (no modulation) or modulation with e.g. 1MHz.
  • Mixer diode shows DC level, but only when the transceiver is transmitting, this is also the first test criterion.
  • Car transceiver - Gunn diode: 0V (no transmission frequency).
  • Varactor diode 0V.
  • Gunn diode supply is present and transmitter is working.
  • Varactor diode 0V (no modulation)
  • ⁇ f max 110 MHz.
  • Car transceiver This is the same state as for the locomotive transceiver. (Gunn diode supplies, ie transmits)
  • the input frequency at both mixer diodes is a sure criterion that both radar units work perfectly and that there is a defined distance between the two antennas.
  • Locomotive transceiver - Gunn diode: supply is present and transmitter is working.
  • Varactor diode modulation voltage is supplied, e.g. in a defined
  • the modulation frequency appears here in the form of a pulse sequence as entered on the varactor diode. The prerequisite is that the transmitter of the car transceiver is working.
  • Varactor diode 0V (no modulation) - mixer diode: The same frequency and pulse sequence appears here as on the
  • the car to the locomotive hangs out. From a previously defined distance, the radar unit in the locomotive
  • Gunn diode supply is present and transmitter is working.
  • Varactor diode modulation voltage is supplied, e.g. in a defined pulse sequence.
  • a DC level is set.
  • the varactor diode is impressed on the mixer diode.
  • This operating state is activated when the train termination message has been received on the last wagon part. It is assumed that no reflector is placed before the last radar coupler when the train is closed.
  • Gunn diode supply is present and transmitter is working.
  • Varactor diode triangular modulation voltage is supplied for distance measurement.
  • the evaluation circuit is dimensioned so that an object (e.g. car) can be detected up to approx. 3m behind the last radar coupler.
  • an object e.g. car

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Abstract

Ein Kommunikations- und Überwachungssystem für einen Zugverband verwendet Radar-Einheiten (RU), die in der Lok (10) und den nachfolgenden Wagen (12, 12', ...) aufeinander ausgerichtet sind, um eine kontaklose Datenübertragung, eine Vollständigkeitskontrolle des Zugverbandes, eine Zug-Schlusserkennung und eine Freiraumkontrolle zu ermöglichen.

Description

Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kommunikations- und
Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.
In der Bahntechnik ist bislang Radar zur Geschwindigkeitserfassung und Abstandsmessung bereits umfangreich verwendet worden und hat sich als sehr robust und zuverlässig erwiesen. Ferner ist es aus der DE-A-197 21 901 bekannt, mittels eines auf einem Bahnfahrzeug angeordneten Mikrowellen-Radargerät und im Gleisbereich angeordneten Radarreflektoren eine Hinderniserkennung durchzuführen.
Schließlich ist in der EP-A-0 698 542 eine Dialogverbindung für einen Zugverband beschrieben, bei der die Datenübertragung kontaktlos über HF-Sende/Empfangseinrichtungen erfolgt. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der US-A-5,697,583 bekannt.
Hiervor ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband vorzugeben, die ohne physikalische Leitungskopplung in der Lage ist, neben einer Kommunikation innerhalb eines Zugverbandes noch andere Überwachungs- und Kontrollmöglichkeiten vorzugeben. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfmdungsgemäßen Vorrichtung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 das Schema eines Zugverbandes in Blockdiagramm-Darstellung; Figur 2 ein Blockdiagramm einer Radareinheit;
Figur 3 ein Blockdiagramm einer Decodiereinheit; und
Figuren 4a, 4b Signaldiagramme des Lok- und Wagenprotokolls. Die vorliegende Erfindung macht von einem Radar-Koppler-System (R-K-S) Gebrauch, das aus zwei Radareinheiten besteht, die im Sende/Empfangsmodus betrieben werden können. Die besonderen Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen R-K-S sind in folgendem zu sehen: Mit Hilfe der RKS läßt sich ein sicherer Datenverkelir mit hoher Datenrate im Zugverband realisieren. Die RKS können hierbei entweder in der Kupplung zwischen den Wagen bzw. dem Wagen und der Lok oder an der Pufferbohle angeordnet werden. Ein bidirektionaler Datenverkehr mittels einer kombinierten Sende/Empfangseinheit ist bei hoher Datensicherheit möglich. Die Vorrichtung ermöglicht es, die Zugvollständigkeit und den Zugschluß ständig zu überwachen. Nach einer Feststellung des Zugschlusses bei der
Zugzusammenstellung schaltet sich das letzte RKS in den Freiraum-Überwachungsmodus (Abstandsmessung), um festzustellen, ob bis zu einem Abstand von z.B. 3m noch ein nicht-gekuppelter Wagen vorhanden ist.
Spezifische Daten können in jedem Wagen abgelegt und abgerufen werden. Die Daten können hierbei in jede Richtung geleitet werden. D.h. es können Daten von der Lok zu den Wagen bzw. von den Wagen zur Lok geleitet werden, wobei diese Daten z.B. die Einleitung von Bremsvorgängen oder Statusmeldungen vorgeben. Vor der Zugzusammenstellung befindet sich das RKS in einem stromsparenden Schlafmodus. Die Aktivierung des RKS erfolgt über die Lok als Master.
Gemäß Figur 1 besteht ein Zugverband aus einer Lok 10 und mehreren Wagen 12, 12', 12" ... Wesentliche Bestandteile der Vorrichtung sind eine Radareinheit RU, eine Decodiereinheit DU und eine Anwender-Programm-Einheit SW. Während die Lok 10 normalerweise nur eine Radareinheit besitzt, besitzen die Wagen 12, 12', ... eine Radareinheit an jedem Ende, die mit einer gemeinsamen Decodiereinheit zusammenarbeiten. Alle Radareinheiten sind identisch ausgebildet und ermöglichen einen bidirektionalen Betrieb. Alle Decodiereinheiten sind ebenfalls identisch ausgebildet, können aber spezifisch mit einer Wagencodierung und Wagendaten programmiert werden. Die Initialisierung des Systems erfolgt von der Lok aus.
Gemäß Figur 2 ist eine Radareinheit RU in näheren Einzelheiten dargestellt. Als Sende Empfangs-Einheit (Transceiver) dient ein Mikrowellenmodul 14 mit Hornantenne 16. Eine Gunn-Diode Dl in dem Modul 14 dient zur Anregung der Trägerfrequenz (24GHz), wobei die Anregungsspannung durch eine Gunn-Versorgungseinheit 18 zur Verfügung gestellt wird. Eine Varaktor-Diode D2 in dem Modul 14 dient der Frequenzmodulation der Trägerfrequenz und wird von einem Modulator 20 angesteuert. Z.B. werden Impulspakete (siehe Figur 4a, 4b) mit einer Länge von 60nsec mit einer Frequenz von 140MHz frequenzmoduliert. Eine Mischer-Diode D3 dient als
Empfangselement und ist in noch zu erläuternder Weise an verschiedene Komponenten angeschlossen. Diese Komponenten umfassen einmal einen Zweig für den Datenempfang, der aus einem Tiefpaßfilter 22, einem Detektor 24 und einem Leitungstreiber 26 besteht; zum anderen einen Empfänger/Vergleicher 28, der bei einer bestimmten Stärke des empfangenen Signales eine Leistungs-Einschaltlogik und Ablaufsteuerung 30 aktiviert, die sodann die Elemente 18-26 an Spannung legt und die Radareinheit aus dem Schlafmodus weckt; und schließlich ein Element 32 zur Abstandsmessung, das ebenfalls an den Ausgang der Mischer-Diode D3 angeschlossen ist.
Gemäß Figur 3 weist die Decodiereinheit DU als Interface zu den Radareinheiten RU und einem übergeordneten Datenbussystem folgende Komponenten auf: einen bidirektionalen Datentransfermodul mit jeweils Empfängern 34, 34', Leitungstreibern 36, 36', Einheiten 38, 38' zur Impulsformung und Daten-Richtungserkennung und Einheiten 40, 40' zur Daten/Takt-Trennung/Einfügung.
Einen Prozessormodul 42, der eine Verarbeitungseinheit 44 aufweist, die an einen Identcodechip 46 angeschlossen ist, der z.B. dem Wagen eine eindeutige Adresse zuordnet und ferner über einen Daten-/ Adreßbus 48 an einen Doppelanschluß-Speicher 50 mit wahlfreiem Zugriff (Dual Port RAM) angeschlossen ist, über den der Anschluß an eine äußere Hardware und Software mittels eines weiteren Daten-/ Adreßbusses 52 erfolgt.
Die Figuren 4a und 4b zeigen die gewählte Datencodierung, wobei Impulspakete mit einer Länge von 66nsec zur Anwendung gelangen und eine binäre 1 durch ein nicht- vorhandenes Impulspaket gefolgt von zwei vorhandenen Impulspaketen und eine binäre 0 durch zwei nicht vorhandene Impulspakete gefolgt von einem vorhandenen Impulspaket codiert sind. Lok- und Wagenprotokoll unterscheiden sich durch einen der eigentlichen Adresse (8 Bit) vorangestellten Kopfteil (Header) von 8x200nsec mit hohem Pegel für die Lok und 15.034nsec mit niedrigem Pegel gefolgt von 66nsec mit hohem Pegel für den Wagen. Nachfolgend seien die möglichen Betriebszustände der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben:
1. Betriebszustand „Schlafen" (Stand-By)
Lok/Wagen-Transceiver:
Beide Gunn-Dioden sind nicht versorgt (kein Sender arbeitet); ebenso keine Varaktor- Diode. Ein bestromter Empfangsverstärker überwacht den Pegel der Mischer-Diode und aktiviert die komplette Radareinheit, wenn sich ein definierter Spannungspegel an der Mischerdiode einstellt.
2. Betriebszusand „Wecken"
• Lok-Transceiver:
Gunn-Diode: wird z.B. mit +5V versorgt, über die Antenne werden 24GHz zum Wagen- Transceiver übertragen. - Varaktor-Diode: 0V (keine Modulation) oder Modulation mit z.B. 1MHz.
Mischer-Diode: zeigt DC-Pegel, aber nur dann, wenn Transceiver sendet, dies ist gleichzeitig erstes Prüfkriterium.
• Wagen- Transceiver: - Gunn-Diode: 0V (keine Sendefrequenz).
Varaktor-Diode: 0V.
Mischer-Diode: Spannungspegel oder Modulationsfrequenz 1MHz vorhanden, d.h. Aktivierung der Radareinheit durch Versorgung der Gunn-Diode mit +5V.
Ein Spannungspegel stellt sich jedoch nur ein, wenn der Sender in der Lok arbeitet und die Lok mit Wagen gekuppelt ist.
3. Betriebszustand „empfangsbereit"
• Lok-Transceiver:
Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet. - Varaktor-Diode: 0V (keine Modulation)
Mischer-Diode: Hier stellt sich eine Frequenz ein von Δf=f0ι0k - fowag. Δfmax=110 MHz.
• Wagen-Transceiver: Hier stellt sich der gleiche Zustand wie bei dem Lok-Transceiver ein. (Gunn- Diode versorgt, d.h. sendet) Die Eingangsfrequenz an beiden Mischerdioden ist ein sicheres Kriterium, daß beide Radareinheiten einwandfrei arbeiten und ein definierter Abstand der beiden Antennen gegeben ist.
4. Betriebszustand „Senden" (Datenübertragung)
Sendebetrieb von Lok zum Wagen
• Lok-Transceiver: - Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
Varaktor-Diode: Modulationsspannung wird zugeführt, z.B. in einer definierten
Pulsfolge.
Mischer-Diode: Hier erscheint die Modulationsfrequenz in Form einer Pulsfolge wie an Varaktor-Diode eingegeben. Voraussetzung ist, daß der Sender des Wagen-Transceivers arbeitet.
• Wagen-Transceiver:
Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet. Varaktor-Diode: 0V (keine Modulation) - Mischer-Diode: Hier erscheint die gleiche Frequenz und Pulsfolge wie an der
Mischerdiode des Lok-Transceivers.
5. Betriebszustand „Zugtrennung" (entspricht dem BZ „Zugschluß")
Der Wagen zur Lok hängt sich ab. Ab einem vorher definierten Abstand stellt die Radareinheit in der Lok die
Zugtrennung fest. • Lok-Transceiver:
Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
Varaktor-Diode: Modulationsspannung wird zugeführt, z.B. in einer definierten Pulsfolge.
Mischer-Diode: Es stellt sich ein DC-Pegel ein. Die Pulsfolge, die in die
Varaktordiode eingeprägt wird, ist auch an der Mischerdiode festzustellen.
Da an der Mischerdiode keine Modulationsfrequenz mehr erscheint, liegt eine
Zugtrennung vor. Jetzt ist es aber möglich, daß die Radareinheit im Wagen defekt ist (Wagen + Lok sind gekoppelt). Angenommen der Sender arbeitet nicht. Es erscheint an der Lok- Mischerdiode die gleiche Pulsfolge wie bei Zugtrennung, jedoch mit einem meßbaren Pegelunterschied (Zustand wie 2. „Wecken" plus Pulsfolge). Somit ist eine Unterscheidung, ob Zugtrennung oder ein Defekt vorliegt, möglich.
6. Betriebszustand „Freiraumkontrolle"
Dieser Betriebszustand wird dann aktiviert, wenn am letzten Wagenteil die Zugschlußmeldimg vorgelegen hat. Es wird vorausgesetzt, daß kein Reflektor bei Zugschluß vor dem letzten Radarkoppler angeordnet wird.
• Wagen-Transceiver: (am Zugende)
Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet. - Varaktor-Diode: Dreiecks-Modulationsspannung wird zur Abstandsmessung zugeführt.
Mischer-Diode: Die Auswerteschaltung ist so dimensioniert, daß bis zu ca. 3m hinter dem letzten Radar-Koppler ein Objekt (z.B. Wagen) erfaßt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Drahtlose Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband bestehend aus einer Lok und einem oder mehreren Wagen mit Sende/Empfangseinrichtungen, die auf der Lok bzw. den Wagen aufeinander ausgerichtet sind, um Daten zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangseinrichtungen durch Radar-Einheiten (RU) vorgegeben sind, über die außer einer kontaktlosen Datenübertragung, eine Vollständigkeitskontrolle des Zugverbandes, eine Freiraumkontrolle hinter dem letzten Wagen und eine Zug- Schlußerkennung erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Radareinheiten (RU) auf zwei getrennten, miteinander gekoppelten Einheiten des Zugverbandes eine Radar-Koppelstelle bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß die Lok (10) eine Radareinheit (RU) am Ende und eine Decodiereinheit (DU) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wagen (12, 12', ...) an jedem Ende eine Radareinheit (RU) und eine gemeinsame
Decodiereinheit (DU) aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radareinheit (RU) als kombinierte Sende/Empfangseinheit ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e nn z e i c hn e t , daß die Radareinheiten (RU) mit einer Leistungs-Abschaltlogik (30) versehen sind, die von einem Vergleicher (28) aktiviert wird, wenn das Empfangssignal einen vorgegebenen Pegel überschreitet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangs-Einheit als Mikrowellenmodul (VCO-Transceiver) ausgebildet ist, dessen Trägerfrequenz in frequenzmodulierten Impulspaketen übertragen wird. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar- Koppelstellen jeweils in die Kupplungen oder im Bereich der Pufferbohle der Wagen bzw. der Lok integriert sind.
PCT/EP2000/006830 1999-07-23 2000-07-18 Kommunikations- und überwachungsvorrichtung für einen zugverband WO2001007310A1 (de)

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