WO2007033939A1 - Verfahren zur bestimmung des orts und/oder einer bewegungsgrösse von sich bewegenden objekten, insbesondere von sich bewegenden spurgebundenen fahrzeugen - Google Patents

Verfahren zur bestimmung des orts und/oder einer bewegungsgrösse von sich bewegenden objekten, insbesondere von sich bewegenden spurgebundenen fahrzeugen Download PDF

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Detlef Kendelbacher
Volker Pliquett
Fabrice Stein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the location and / or a movement quantity of moving objects, in particular of moving track-bound vehicles, according to the preamble of claim 1.
  • the determination of the whereabouts of a vehicle access ges) a safety-critical object in which the staying ⁇ haltsort is to be determined within a safety-related confidence interval, which is a measure of the processing accuracy current Or ⁇ .
  • This confidence interval is dynamic, ie it depends respectively from the current location is exactly ⁇ accuracy and can be while driving the vehicle än ⁇ countries. Greater confidence interval means an inaccurate ⁇ ere determination of the location of a train, which is associated with the increase of negative influences on the operation.
  • additional electronic devices can (for example, beacons) are arranged at predetermined positions along the track, which read from the vehicle who to, the vehicles use ⁇ can read information for synchronizing the location data.
  • the positioning ⁇ are usually redundant systems and have the failure-tolerant ⁇ of individual sensors. That is why in train control systems the existing position sensors are often installed twice.
  • the locating of vehicles in rail traffic is often under difficult external influences, such as water, ice, pollution, tunnels, bridges and the differently designed superstructure.
  • the properties and possible errors of the sensors used must be precisely analyzed and evaluated.
  • the calculation of the confidence interval requires locating complicated algorithms in the processing and linking of the sensor data. Due to the safety requirements of rail traffic, this is usually associated with a complex approval process.
  • the available position sensors show a specific and fluctuating fault behavior, which at times can lead to a reduction of the positioning accuracy.
  • the associated increased confidence intervals in the location determination can lead to the obstruction of rail traffic.
  • secure computers are used in the location, for example, consist of several parallel computers, which compare the results obtained with each other and make an evaluation. Only if the results from at least two computers match, the result is passed on to the process to be controlled; if no match occurs, a corresponding safety ⁇ reaction.
  • the object of the invention is to ensure a high degree of accuracy in determining the location and / or an amount of movement. Furthermore, the object is to make the Wegig ⁇ resistance and the availability of the locating scalable in terms of the amount of requirements so that their use is possible in different conditions and in different types of control systems.
  • the object of the invention is achieved according to the features of claim 1; the dependent claims contain advantageous embodiments.
  • the solution provides that at least three sensors are arranged in the object, which independently of one another determine sensor data about the location and / or the amount of movement and transmit them to processes which run on one or more preprocessing computers likewise arranged in the object, each process containing the sensor data from at least two sensors are processed and each sensor passes its sensor data to at least two processes that each process calculates a difference ⁇ factor from the difference of the sensor data of two sensors that processes the difference factors underein ⁇ other exchange and on the basis of the exchanged difference factors, the sensor performance determine for each sensor as a measure of aktuel ⁇ le sensor accuracy that the processes based on the sensor data and the sensor performance in each place and / or the amount of movement each weighted by the associated sensor ⁇ Q calculate that each process the locations and / or BEWE ⁇ supply succn and the sensor performance to a likewise arranged in the object secure computer passes, comparing the locations and / or motion parameters and / or sensor performance in each case and the type and / or motion variables and the sensor performance will not
  • the location calculation essentially uses only the data of the correctly operating sensors, whereby resynchronized sensors are automatically included again in the location calculation. Especially in the event that several sensors provide a low quality of data simultaneously, on ⁇ a well-usable positioning result can be obtained due to the sensor-specific evaluation and weighting of data.
  • the consideration of the quality of the sensor data protects against wrong decisions in the majority decisions, ie if two sensors provide a lower data quality, this does not automatically lead to the suspension of a third sensor with high data quality. This reduces procedural errors.
  • the accuracy of the device can be increased by additional sensors.
  • the number of preprocessing computers used is unlimited, so that complete, diverse preprocessing of the location data can be ensured. Security, availability and performance requirements can be scaled.
  • a matrix is available which, in addition to the improvement of the positioning accuracy, also permits an evaluation of the correct function of the preprocessing computers and thus supports a partial outsourcing of the safety-critical location to a platform with a lower security level.
  • the Siche ⁇ re computer is relieved of labor-intensive tasks when the preprocessor has a significant share of vehicle tracking with the processing of the sensor data.
  • FIG. 2 shows the sequence according to FIG. 1 in the preprocessing computer
  • FIG. 3 shows the sequence according to FIG. 1 in the secure computer.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a method for determining the location of a moving track-bound vehicle as a moving object, which is shown in Figure 1 as Rah ⁇ men 1.
  • corresponding movement variables of the vehicle can be determined in addition or independently of the location determination.
  • Sizes of the motion ⁇ include in particular the speed and acceleration of the vehicle.
  • the frame 1 representing the vehicle contains three further frames 2, 4, 6, the frame 2 including position sensors 3 (sensors 3a, 3b, 3c), the frame 4 preprocessing computer 5 and the frame 6 including a secure computer 7 (vehicle computer) which are all arranged in the vehicle (frame 1).
  • the preprocessing ⁇ computer 5 can thereby significantly less safety feature requirement level as a safe computer 7 own or operate without all safety requirements.
  • the frame 2 shows three arranged in the vehicle continuous ⁇ acting position sensors 3, which are designed as Wegimpulsgeber 3a, as radar 3b and GPS receiver 3c (Global Positioning System) and thus work diversitively.
  • the position sensors 3 independently of one another continuously determine sensor data S (positioning primary data), which they transfer to processes P1, P2, P3 (programs) running on the preprocessing computers 5 (the sensor data S are shown here schematically as dashed lines between the frames 2 and 3) shown, the sensor data of the Or- tion sensors 3a are designated Sl, etc.).
  • sensor data S positioning primary data
  • P1, P2, P3 programs
  • FIG. 1 shows, there are three preprocessing computers 5a, 5b, 5c operating independently of one another here, although these may be the same preprocessing computers 5, but do not have to act. The same processes can be done
  • Pl, P2, P3 be the same. In both cases, however, it is expedient, if this is not the case, to increase the recognition of errors by the use of different processes P1, P2, P3 and different computers 5a, 5b, 5c. However, it can of course also be a single preprocessing computer 5, on which then all three processes Pl, P2, P3 run independently of each other.
  • Voryersrechnern 5 are therefore a number of sepa- rate diverse processes Pl, P2, P3 implemented which ⁇ inde pendently, the data of the connected sensors Sl, S2, S3 process.
  • the number of diversified processes P1, P2, P3 results from the number of sensors S1, S2, S3 used.
  • the distribution of the diversified processes Pl, P2, P3 on the preprocessing computers 5 depends on their number.
  • all processes P1, P2, P3 run on this computer 5.
  • at least one process P1, P2, P3 can be arranged in each preprocessing computer 5.
  • a process P1, P2, P3 can be implemented for each preprocessing computer 5, for example.
  • Figure 1 is removable, that each sensor's sensor data S passes 3 at at least two processes Pl, P2, P3, the Sen ⁇ sorchal S of a location sensor 3a, so 3b, 3c paral ⁇ lel at least two different processes Pl and P2, P3 and P2, Pl and P3 of the preprocessing computer 5 supplied.
  • Each process P1, P2, P3 of a preprocessing computer 5 evaluates the sensor data S (positioning primary data) of the connected sensors 3. It is advantageous for the evaluation of the processes in- ner Halb Pl, P2, carried out according to various algorithms diversitä- ren P3, the likelihood for the same algorithmic error in the execution difference ⁇ Licher processes Pl, P2, P3 to minimize.
  • the sensor 3a transfers its sensor data S1 to the processes P2 and P3, the sensor 3b transfers its sensor data S2 to the processes P1 and P3, and the sensor 3c transfers its sensor data S3 to the processes P1 and P2.
  • each process Pl, P2, P3 receives the sensor data from exactly two sensors 3.
  • Each process Pl, P2, P3 calculates from the difference of the sensor data Sl, S2, S3 a difference factor, namely Dl-2, Dl-3 and D2-3.
  • the arrows 8 are intended to indicate that the processes P exchange at least the difference factors Dl-2, Dl-3, D2-3.
  • the small arrow 9 shows that the process P3 transfers the difference factor Dl-2 to the process P2.
  • a high sensor quality SG1, SG2, SG3 for a sensor 3a, 3b, 3c is thus based on the matching evaluation of three sensors 3a, 3b, 3c by two preprocessing processes P1, P2, P3.
  • Based on the sensor data S and the Sensor quantities SG calculate the processes P 1, P 2, P 3 in each case a middle location O1, O2, O3, which in each case is weighted with the associated sensor quality SG1, SG2, SG3.
  • the locations Ol, 02, 03 and the sensor quality SG1, SG2, SG3 are transferred from the preprocessing computers 5a, 5b, 5c to the secure computer 7 (schematically, the transfer of the sensor quality SG and the locations 0 is shown as dashed lines) Zvi lines ⁇ rule the frame 4 and) shown.
  • the host computer ago ⁇ 5a passes a determined location 03 and the two sensor grades SGl and SG2 of the two sensors 3a, 3b, since the preprocessor 5a, the sensor data Sl, S2 received from the two sensors 3a, 3b to the secure computer 7 , A corresponding transfer is carried out by the Vorverarbei ⁇ performance computers 5b and 5c.
  • additional sensors can be connected to the secure computer 7, such as a balise reader (not shown here).
  • FIG. 2 schematically shows the above-described sequence in the preprocessing computer 5a, which is divided into three steps in FIG. 2 (the sequences in the other two preprocessing computers 5b, 5c take place correspondingly).
  • the transfer of the sensor data Sl, S3, which are read by the preprocessing computer 5a takes place.
  • the sensor data S1, S3 are processed (for example, a transformation into a suitable coordinate system can be carried out).
  • the preprocessing computer 5a carries out a subtraction of the sensor data S1, S3 by calculating the difference factor D2-3.
  • the first process step in-process serves thereby al ⁇ so the determination of the agreement of the sensor data S (Or- tung primary data) of the connected sensors 3. For this determination is optionally pre-processing the sensor data S supplied necessary, such as transfor mation ⁇ in a suitable coordinate system.
  • the measure of the conformity of the sensor data S is determined by means of a parameter
  • the difference factor Dl-2, Dl-3, D2-3) evaluated The current difference factor Dl-2, Dl-3, D2-3 can be between a minimum (best match) and a maximum (no match).
  • process-specific defined tolerances can be used.
  • the difference factors Dl-2, Dl-3 are taken over by the two other preprocessing computers 5b, 5c, and the difference factor D2-3 is transferred to the two other preprocessing computers 5b, 5c.
  • the sensor data are subjected to a plausibility test with the aid of the difference factors Dl-2, Dl-3, D2-3, which has the goal of revealing significant sensor errors and excluding their data S1, S2, S3 from further processing.
  • the calculation of the sensor quality SG1, SG2, SG3 is carried out for all sensors 3a, 3b, 3c whose data S1, S2, S3 are plausible.
  • the sensor quality SG2 becomes and from the comparison of Dl-3 with D2-3 the sensor quality SG3 is determined.
  • This is followed by the third step, in which an averaged location Ol is calculated on the basis of the sensor data S2, S3 and the sensor quality SG2, SG3 as weighting factors.
  • the thus calculated location Ol with the determined sensor quality SG2, SG3 is then transferred to the secure computer 7.
  • the entire process repeats cyclically for the respective current sensor data Sl, S2, S3.
  • the second processing step thus serves to determine the quality of the current data S1, S2, S3 of each connected Sensor 3 (sensor-specific detection quality as sensor quality SG1, SG2, SG3).
  • the difference factor Dl-2, Dl-3, D2-3 determined in-process is compared with that of the other processes Pl, P2, P3. This takes place by mutual transmission of the process-specific difference factors Dl-2, Dl-3, D2-3 between the processes P1, P2, P3.
  • processes Pl, P2, P3 gekop together ⁇ pelt, which at least one common sensor 3a, 3b, 3b (Or ⁇ tung sensor) use.
  • 01, 02, 03 location data on the basis of the available sensor data S1, S2, S3 (primary location data) of the connected sensors 3a, 3b, 3b and their sensor-specific sensor quality SG1, SG2, SG3 (localization quality).
  • the data Sl, S2, S3 of a sensor 3a, 3b, 3b (position detector) are weighted according to its Sen ⁇ sorgüte SGl, SG2, SG3 (locating quality) in the calculation.
  • With minimal sensor quality SG1, SG2, SG3 (localization quality) the data S1, S2, S3 of the relevant sensor 3a, 3b, 3b can not be used for the location calculation.
  • the processing of the transferring data, the locations Ol, 02, 03 and the sensor quality SG1, SG2, SG3, is shown schematically in FIG. 3, these data first being read by the secure computer. This starts the first step, namely the process test, which compares the location data (places Ol,
  • 02, 03 follows, ie the locations Ol, 02, 03, which were determined by the three preprocessing computers 5a, 5b, 5c. Further, the sensor-specific sensor performance SGl, SG2, SG3 and location quality (two values for each sensor) are compared, and then each ⁇ wells faulty by majority decision data to SUS pendieren. Majority decision means here that the locations Ol, 02, 03 and the sensor quality SG1, SG2, SG3 are not discarded, which are mostly within specified tolerances.
  • the process-specific positioning result (location determination resulting ⁇ nis) of each process Pl, P2, P3 is thus output to the application in the secure computer. 7 Together with the locating result of each process P 1, P 2, P 3 for all connected sensors 3 a, 3 b, 3 b, their sensor-specific sensor quality SG 1, SG 2, SG 3 or localization quality is transferred to the application.
  • the location results provided in the safe vehicle computer 7 are based on various sensors 3a, 3b, 3b and diversified processing by the processes P1, P2, P3.
  • sensors 3a, 3b, 3b location sensors
  • preprocessing functions Pl, P2, P3 which have Or ⁇ processing results of the various processes Pl, P2, P3 within the framework of men ⁇ sensor tolerances match. Any other deviations can have the following causes:
  • the vehicle location is a safety-critical function
  • the safe vehicle computer 7 faulty ler of the sensors 3a, 3b, 3b (sensors) and the preprocessing uncover and initiate an adapted response.
  • the preprocessing results can be checked and judged by majority (majority vote).
  • the majority vote is a well-known method for security-relevant multi-channel data processing.
  • the evaluation and processing of diversely deter- mined localization results (Places Ol, 02, 03) performance computers from the Vorverarbei ⁇ 5 takes place in a safe vehicle computer 7 in two steps.
  • the first step consists of checking the correct function of the processes P1, P2, P3 of the preprocessing computer 5 on the basis of their results (analysis according to b). If the positioning results (Places Ol, 02, 03) of a pro ⁇ zesses Pl, P2, recognized P3 by testing as error-free, the use of which takes place in the further positioning calculation in safe computer 7. Otherwise, this location resulting ⁇ Menus (places Ol, 02 , 03) for further use.
  • the supplied location data (locations O1, O2, O3) of the processes and, on the other hand, the data of the sensor-specific sensor quality SG1, SG2, SG3 (location quality) can be used for the process test.
  • the different location results (locations Ol, 02, 03) of the preprocessing processes Pl, P2, P3 can be checked for plausibility.
  • the plausibility check can equal to the location data (locations Ol, 02, 03) and the determination of the deviations between the location data (locations Ol, 02, 03). If the location data (locations Ol, 02, 03) of a process Pl, P2, P3 deviate so much from the location data (locations Ol, 02, 03) of the other processes Pl, P2, P3 that defined tolerances are exceeded, this can occur Indication of incorrect processing in the process Pl, P2, P3.
  • the location results of this process Pl, P2, P3 are blocked for further processing.
  • the sensor-specific quality locating Fung sensor performance SGl, SG2, SG3 for all sensors 3a, 3b, 3b may all processes Pl, P2, P3 are systematically checked.
  • the preprocessing computer 5a, 5b, 5c determines whether the localization results (locations O1, 02, 03) for the location calculation may be reused in the secure computer 7.
  • the second step of processing the location results (locations Ol, 02, 03) in the safe computer is to calculate the safety-critical vehicle location (location 0) including a confidence interval.
  • the location results are proportional and weighted.
  • the weight of a locating result is obtained by taking into account the sensor-specific locating quality (sensor quality SG1, SG2, SG3) for all sensors 3a, 3b, 3b of a process P1, P2, P3.
  • sensor quality SG1, SG2, SG3 the sensor-specific locating quality
  • the resulting vehicle location (location O) can be done by averaging the weighted location results (locations Ol, 02, 03).
  • location O can be checked for plausibility, for example by comparison with extrapolated chronological location data (locations Ol, 02, 03).
  • the calculation of the confidence interval for the stay ⁇ place (places Ol, 02, 03) of the vehicle depends on the positioning accuracy achieved.
  • the location accuracy is subject to fol ⁇ ing influences:
  • the size of the confidence interval may change each time a location sensor 3a, 3b, 3b temporarily supplies unusable data and subsequently resynchronizes.
  • the resulting confidence interval of the vehicle is there ⁇ dynamic.
  • a confidence interval is formed in the secure computer 7 using the sensor quality SG1, SG2, SG3 and / or the sensor-specific tolerances.
  • the secure computer 7 uses as an example the information provided by a balise in order to carry out a correction of the calculated location O, wherein it subsequently subjects the calculated location O to a plausibility check.
  • the location O thus determined stands thus for use e.g. ready for train control.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Orts (O) und/oder einer Bewegungsgröße von sich bewegenden Objekten (1), insbesondere von sich bewegenden spurgebundenen Fahrzeugen, wobei mindestens ein Vorverarbeitungsrechner (5) vorgesehen ist. Um eine hohe Genauigkeit sicherzustellen, wird vorgeschlagen, mindestens drei Sensoren (3a, 3b, 3b) zu verwenden, die Sensordaten (S1, S2, S3) ermitteln und an Prozesse (P1, P2, P3) von Vorverarbeitungsrechnern (5a, 5b, 5c) übergeben, dass jeder Prozess (P1, P2, P3) einen Differenzfaktor (D1-2, D1-3, D2-3) aus den Sensordaten (S1, S2, S3) von je zwei Sensoren (3a, 3b, 3b) berechnet, dass die Prozesse (P1, P2, P3) die Differenzfaktoren (D1-2, D1-3, D2-3) untereinander austauschen und die Sensorgüte (SG1, SG2, SG3) für jeden Sensor (3a, 3b, 3b) ermitteln, dass die Prozesse (P1, P2, P3) anhand der Sensordaten (S1, S2, S3) und der Sensorgüte (SG1, SG2, SG3) jeweils den Ort (O1, O2, O3) und/oder die Bewegungsgröße jeweils gewichtet mit der zugehörigen Sensorgüte (SG1, SG2, 25 SG3) berechnen und an einen sicheren Rechner (7) übergeben, der diese jeweils vergleicht und die nicht verwirft, die mehrheitlich innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen, und dass der sichere Rechner (7) aus den nicht verworfenen Orten (O1, O2, O3) und/oder Bewegungsgrößen jeweils gewichtet mit der zugehörigen Sensorgüte (SG1, SG2, SG3) den Ort (O) und/oder die Bewegungsgröße berechnet.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung des Orts und/oder einer Bewegungsgröße von sich bewegenden Objekten, insbesondere von sich be- wegenden spurgebundenen Fahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Orts und/oder einer Bewegungsgröße von sich bewegenden Objekten, insbesondere von sich bewegenden spurgebundenen Fahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass es zur Steuerung des Bahnverkehrs erfor¬ derlich ist, den Aufenthaltsort der Fahrzeuge zu bestimmen. Zur Ortung sind deshalb Sensoren in den Fahrzeugen instal- liert, wobei unterschiedliche Wirkprinzipien für die Ortung bekannt sind. Dabei sind Wegimpulsgeber weit verbreitet, die aus den Radumdrehungen jeweils Impulse für die Weg- und Ge¬ schwindigkeitsberechnung ableiten. Daneben werden auch Beschleunigungssensoren und Radarsysteme eingesetzt. Mittler- weile sind auch erste satellitengestützte Ortungssysteme auf der Basis von GPS (Global Positioning System) bekannt. Alle bekannten Ortungssensoren weisen spezifische Eigenschaften und Fehlertoleranzen auf, weshalb es vorkommen kann, dass die Ortungssensoren in besonderen Situationen unbrauchbare oder keine Daten liefern. So sind die Ortungsdaten der Wegimpulsgeber bei erhöhtem Schlupf in den Antriebs- und Bremsphasen mit großen Fehlern behaftet. Aus diesem Grunde werden manchmal mehrere Sensoren für die Ortung eingesetzt und deren Or¬ tungsdaten miteinander verknüpft, um den Aufenthaltsort eines Zuges genauer angeben zu können, wobei die Sensordaten auch auf Plausibilität geprüft werden.
Bei dem European Train Control System (ETCS) zur Zugsicherung ist die Ermittlung des Aufenthaltsortes eines Fahrzeugs (Zu- ges) eine sicherheitskritische Aufgabe, bei der der Aufent¬ haltsort innerhalb eines sicherheitsrelevanten Vertrauensintervalls zu bestimmen ist, das ein Maß für die aktuelle Or¬ tungsgenauigkeit ist. Dieses Vertrauensintervall ist dyna- misch, d.h. es hängt jeweils von der aktuellen Ortungsgenau¬ igkeit ab und kann sich während der Fahrt des Fahrzeugs än¬ dern. Ein größeres Vertrauensintervall bedeutet eine ungenau¬ ere Bestimmung des Aufenthaltsortes eines Zuges, was mit der Zunahme negativer Einflüsse auf den Betriebsablauf verbunden ist. Um eine Kumulation der Fehler der Ortungssensoren zu verringern, können zusätzlich elektronische Einrichtungen (beispielsweise Balisen) an vorgegebenen Positionen im Streckenverlauf angeordnet werden, die vom Fahrzeug gelesen wer¬ den können, wobei die Fahrzeuge die gelesenen Informationen zur Synchronisierung der Ortungsdaten verwenden. An diesen
Synchronisationspunkten wird das während der Fahrt sukzessive größer werdende Vertrauensintervall wieder verkleinert.
Um den hohen Anforderungen an die Ausfallsicherheit eines Zugsicherungssystems gerecht zu werden, werden die Ortungs¬ systeme meist redundant ausgelegt und müssen den Ausfall ein¬ zelner Sensoren tolerieren. Deswegen werden bei Zugsicherungssystemen die vorhanden Ortungssensoren oft doppelt einbaut .
Die Ortung der Fahrzeuge im Bahnverkehr erfolgt oft unter schwierigen äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Wasser, Eis, Verschmutzung, Tunnel, Brücken und dem unterschiedlich beschaffenen Oberbau. Um in einem Ortungssystem mit mehreren Sensoren temporär wirkende Ausfälle und Fehler einzelner Sensoren bei der Fahrzeugortung kompensieren zu können, müssen die Eigenschaften und Fehlermöglichkeiten der eingesetzten Sensoren genau analysiert und bewertet werden. Insbesondere erfordert die Berechnung des Vertrauensintervalls der Ortung komplizierte Algorithmen bei der Verarbeitung und Verknüpfung der Sensordaten. Aufgrund der Sicherheitsforderungen des Bahnverkehrs ist dies meist mit einem aufwendigen Zulassungs- prozess verbunden.
Unter wechselnden äußeren Einflüssen zeigen die verfügbaren Ortungssensoren ein spezifisches und schwankendes Fehlerverhalten, welches zeitweise zu einer Verminderung der Ortungsgenauigkeit führen kann. Die damit verbundenen vergrößerten Vertrauensintervalle bei der Ortsbestimmung können zur Behinderung des Bahnverkehrs führen.
Transiente oder persistente Ausfälle einzelner Ortungssenso¬ ren führen weiter zur Verminderung der Ortungsgüte oder sogar zum Ausfall der gesamten Fahrzeugortung, wodurch massive Betriebsbehinderungen verursacht werden können.
Um den Sicherheitsanforderungen des Bahnverkehrs zu genügen, werden bei der Ortung so genannte sichere Rechner eingesetzt, die beispielsweise aus mehreren parallel arbeitenden Rechnern bestehen, welche die erhaltenen Rechenergebnisse untereinander vergleichen und eine Bewertung vornehmen. Nur wenn die Ergebnisse von mindestens zwei Rechnern übereinstimmen, wird das Ergebnis an den zu steuernden Prozess weitergegeben; bei Nichtübereinstimmung erfolgt eine entsprechende Sicherheits¬ reaktion .
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung des Orts und/oder einer Bewegungsgröße sicher- zustellen. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, die Genauig¬ keit und die Verfügbarkeit der Ortung skalierbar in Bezug auf die Höhe der Anforderungen zu gestalten, so dass deren Verwendung bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen und in verschiedenartigen Steuerungssystemen möglich wird. Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen .
Die Lösung sieht vor, dass mindestens drei Sensoren im Objekt angeordnet sind, die unabhängig voneinander Sensordaten über den Ort und/oder die Bewegungsgröße ermitteln und an Prozesse übergeben, die auf einem oder mehreren ebenfalls im Objekt angeordneten Vorverarbeitungsrechnern ablaufen, wobei jeder Prozess die Sensordaten von mindestens zwei Sensoren verarbeitet und wobei jeder Sensor seine Sensordaten an mindestens zwei Prozesse übergibt, dass jeder Prozess einen Differenz¬ faktor aus der Differenz der Sensordaten von je zwei Sensoren berechnet, dass die Prozesse die Differenzfaktoren unterein¬ ander austauschen und anhand der ausgetauschten Differenzfaktoren die Sensorgüte für jeden Sensor als Maß für die aktuel¬ le Sensorgenauigkeit ermitteln, dass die Prozesse anhand der Sensordaten und der Sensorgüte jeweils den Ort und/oder die Bewegungsgröße jeweils gewichtet mit der zugehörigen Sensor¬ güte berechnen, dass jeder Prozess die Orte und/oder Bewe¬ gungsgrößen und die Sensorgüte an einen ebenfalls im Objekt angeordneten sicheren Rechner übergibt, der die Orte und/oder Bewegungsgrößen und/oder die Sensorgüte jeweils vergleicht und die Orte und/oder Bewegungsgrößen und die Sensorgüte nicht verwirft, die mehrheitlich innerhalb vorgegebener Tole¬ ranzen liegen, während er die außerhalb liegenden verwirft, und dass der sichere Rechner aus den nicht verworfenen Orten und/oder Bewegungsgrößen jeweils gewichtet mit der zugehöri- gen Sensorgüte einen Ort und/oder eine Bewegungsgröße berech¬ net . Zur Erhöhung der Genauigkeit wird vorgeschlagen, dass die Sensoren bezogen auf den Ort als auch auf jede Bewegungsgröße nach unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeiten.
Zur Erhöhung der Sicherheit wird vorgeschlagen, die Prozesse in den Vorverarbeitungsrechnern aus unterschiedlicher Software (diversitär) aufzubauen.
Zur Erhöhung der Verfügbarkeit und der Sicherheit wird vorge- schlagen, die Vorverarbeitungsprozesse auf mehrere Vorverar¬ beitungsrechner aufzuteilen.
Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit und der Verfügbarkeit wird vorgeschlagen, mehr als drei unabhängig arbeitende Sen- soren zu verwenden.
Technisch vorteilhaft ist es, wenn der Algorithmus zur Be¬ stimmung der Sensorgüte sensorspezifische Toleranzen berücksichtigt .
Eine erhöhte Genauigkeit ergibt sich, wenn zur Berechnung des Vertrauensintervalls im sicheren Rechner neben den sensorspe¬ zifischen Toleranzen die Sensorgüte jeweils mit berücksichtigt wird. Ein besseres Ausfallverhalten lässt sich erzielen, wenn mehrere Vorverarbeitungsrechner vorgesehen sind.
Genauigkeitserhöhend wirkt sich auch aus, wenn das Verfahren bezüglich der Verwerfung der Orte und/oder Bewegungsgrößen und der Sensorgüte mit bekannten Plausibilitätsverfahren kombiniert werden.
Mit dem Verfahren wird eine sichere Ortung von Fahrzeugen ermöglicht, wobei Fehlereinflüsse einzelner Sensoren minimiert werden. Die Ortsberechnung nutzt im Wesentlichen nur die Daten der korrekt arbeitenden Sensoren, wobei resynchronisierte Sensoren automatisch wieder in die Ortsberechnung einbezogen werden. Insbesondere für den Fall, dass mehrere Sensoren gleichzeitig eine geringe Datenqualität liefern, kann auf¬ grund der sensorspezifischen Bewertung und Gewichtung der Daten ein gut verwendbares Ortungsergebnis erhalten werden. Die Berücksichtigung der Qualität der Sensordaten schützt vor Fehlentscheidungen bei den Mehrheitsentscheidungen, d.h. lie- fern zwei Sensoren eine geringere Datenqualität, führt das nicht automatisch zur Suspendierung eines dritten Sensors mit hoher Datenqualität. Dadurch werden verfahrensbedingte Fehler verringert. Grundsätzlich lässt sich die Genauigkeit der Or¬ tung durch zusätzliche Sensoren erhöhen. Die Anzahl der ver- wendeten Vorverarbeitungsrechner ist unbegrenzt, so dass eine vollständige diversitäre Vorverarbeitung der Ortungsdaten sichergestellt werden kann. Dabei können Sicherheits-, Verfüg- barkeits- und Performanceanforderungen skaliert werden.
Mit den Parametern der sensorspezifischen Ortungsgüte steht eine Matrix zur Verfügung, die neben der Verbesserung der Ortungsgenauigkeit auch eine Bewertung der korrekten Funktion der Vorverarbeitungsrechner zulässt und damit eine teilweise Auslagerung der sicherheitskritischen Ortung auf eine Platt- form mit geringerem Sicherheits-Level unterstützt. Der siche¬ re Rechner wird von arbeitsintensiven Aufgaben entlastet, wenn der Vorverarbeitungsrechner mit der Verarbeitung der Sensordaten einen erheblichen Anteil an der Fahrzeugortung hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit drei Ortungssensoren, drei Vorverarbeitungsrechnern und einem sicheren Rechner,
Figur 2 den Ablauf gemäß Figur 1 im Vorverarbeitungsrechner und
Figur 3 den Ablauf gemäß Figur 1 im sicheren Rechner.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Bestimmung des Orts eines sich bewegenden spurgebundenen Fahrzeugs als sich bewegendes Objekt, das in Figur 1 als Rah¬ men 1 dargestellt ist. Mit diesem Verfahren können zusätzlich oder unabhängig von der Ortsbestimmung entsprechende Bewegungsgrößen des Fahrzeugs bestimmt werden. Zu den Bewegungs¬ größen zählen insbesondere die Geschwindigkeit als auch die Beschleunigung des Fahrzeugs. In dem das Fahrzeug darstellenden Rahmen 1 sind drei weitere Rahmen 2, 4, 6 enthalten, wobei der Rahmen 2 Ortungssensoren 3 (Sensoren 3a, 3b, 3c) , der Rahmen 4 Vorverarbeitungsrechner 5 und der Rahmen 6 einen sicheren Rechner 7 (Fahrzeugrechner) beinhaltet, welche alle im Fahrzeug (Rahmen 1) angeordnet sind. Die Vorverarbeitungs¬ rechner 5 können dabei eine deutlich geringere Sicherheitsan- forderungsstufe als ein sicherer Rechner 7 besitzen oder ganz ohne Sicherheitsanforderungen arbeiten.
Der Rahmen 2 zeigt drei im Fahrzeug angeordnete kontinuier¬ lich wirkende Ortungssensoren 3, die als Wegimpulsgeber 3a, als Radar 3b und als GPS-Empfänger 3c (Global Positioning System) ausgebildet sind und damit diversitär arbeiten. Die Ortungssensoren 3 ermitteln jeweils unabhängig voneinander kontinuierlich Sensordaten S (Ortungsprimärdaten) , welche sie an auf den Vorverarbeitungsrechnern 5 ablaufende Prozesse Pl, P2, P3 (Programme) zur Verarbeitung übergeben (die Sensordaten S sind hier schematisch als gestrichelte Linien zwischen den Rahmen 2 und 3 dargestellt, wobei die Sensordaten des Or- tungssensors 3a mit Sl bezeichnet sind, usw.) . Wie die Figur 1 zeigt, sind hier drei unabhängig voneinander arbeitende Vorverarbeitungsrechner 5a, 5b, 5c vorhanden, bei denen es sich zwar um die gleichen Vorverarbeitungsrechner 5 handeln kann, aber nicht handeln muss. Genauso können die Prozesse
Pl, P2, P3 gleich sein. In beiden Fällen ist es aber zweckmäßig, wenn dies nicht der Fall ist, um das Erkennen von Fehlern durch die Verwendung von unterschiedlichen Prozessen Pl, P2, P3 und unterschiedlichen Rechnern 5a, 5b, 5c zu erhöhen. Es kann sich aber selbstverständlich auch um einen einzigen Vorverarbeitungsrechner 5 handeln, auf dem dann alle drei Prozesse Pl, P2, P3 unabhängig voneinander ablaufen.
In den Vorverarbeitungsrechnern 5 sind also eine Anzahl sepa- rate diversitäre Prozesse Pl, P2, P3 implementiert, die unab¬ hängig voneinander die Daten der angeschlossenen Sensoren Sl, S2, S3 verarbeiten. Die Anzahl der diversitären Prozesse Pl, P2, P3 ergibt sich aus der Anzahl der verwendeten Sensoren Sl, S2, S3. Die Aufteilung der diversitären Prozesse Pl, P2, P3 auf die Vorverarbeitungsrechner 5 hängt von deren Anzahl ab. Bei Verwendung eines Vorverarbeitungsrechners 5 laufen alle Prozesse Pl, P2, P3 auf diesem Rechner 5. Bei Verwendung mehrerer Vorverarbeitungsrechner 5 kann in jedem Vorverarbeitungsrechner 5 mindestens ein Prozess Pl, P2, P3 angeordnet werden. Bei drei Ortungssensoren Sl, S2, S3 und drei Vorverarbeitungsrechnern 5a, 5b, 5c kann beispielsweise je Vorverarbeitungsrechner 5 ein Prozess Pl, P2, P3 implementiert werden .
Figur 1 ist entnehmbar, dass jeder Sensor 3 seine Sensordaten S an mindestens zwei Prozesse Pl, P2, P3 übergibt, die Sen¬ sordaten S eines Ortungssensors 3a, 3b, 3c werden also paral¬ lel mindestens zwei verschiedenen Prozessen Pl und P2, P3 und P2, Pl und P3 der Vorverarbeitungsrechner 5 zugeführt. Jeder Prozess Pl, P2, P3 eines Vorverarbeitungsrechners 5 wertet die Sensordaten S (Ortungsprimärdaten) der angeschlossenen Sensoren 3 aus. Vorteilhaft ist es, die Auswertung in- nerhalb der Prozesse Pl, P2, P3 nach verschiedenen diversitä- ren Algorithmen durchzuführen, um die Wahrscheinlichkeit für gleiche algorithmische Fehler bei der Ausführung unterschied¬ licher Prozesse Pl, P2, P3 zu minimieren.
In Figur 1 übergibt der Sensor 3a seine Sensordaten Sl an die Prozesse P2 und P3, der Sensor 3b seine Sensordaten S2 an die Prozesse Pl und P3 und der Sensor 3c seine Sensordaten S3 an die Prozesse Pl und P2. Das bedeutet, dass hier jeder Prozess Pl, P2, P3 die Sensordaten von genau zwei Sensoren 3 erhält. Jeder Prozess Pl, P2, P3 errechnet aus der Differenz der Sensordaten Sl, S2, S3 einen Differenzfaktor, nämlich Dl-2, Dl-3 und D2-3. Die Pfeile 8 sollen andeuten, dass die Prozesse P zumindest die Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 austauschen. So zeigt der kleine Pfeil 9, dass der Prozess P3 den Diffe- renzfaktor Dl-2 an den Prozess P2 übergibt. Umgekehrt über¬ gibt der Prozess P2 den Differenzfaktor Dl-3 an den Prozess P3 (Pfeil 10) . Ein entsprechender Austausch findet wie in Figur 1 gezeigt auch zwischen den Prozessen Pl und P2 sowie Pl und P3 statt. Somit stehen allen Prozessen Pl, P2, P3 alle drei Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 zur Verfügung, woraus die Prozesse Pl, P2, P3 eine Sensorgüte SG als Maß für die berechnete Sensorgenauigkeit ermitteln. Die Sensorgüte SGl, SG2, SG3 wird dabei umso höher bewertet, je geringer die Dif¬ ferenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 zweier Vorverarbeitungspro- zesse Pl, P2, P3 bezüglich eines gemeinsamen Sensors 3a, 3b, 3c ausfallen. Eine hohe Sensorgüte SGl, SG2, SG3 für einen Sensor 3a, 3b, 3c stützt sich damit auf die übereinstimmende Beurteilung von drei Sensoren 3a, 3b, 3c durch zwei Vorverarbeitungsprozesse Pl, P2, P3. Anhand der Sensordaten S und der Sensorgüte SG berechnen die Prozesse Pl, P2, P3 jeweils einen mittleren Ort Ol, 02, 03, der jeweils mit der zugehörigen Sensorgüte SGl, SG2, SG3 gewichtet ist. Wie die Figur 1 zeigt, werden die Orte Ol, 02, 03 und die Sensorgüte SGl, SG2, SG3 von den Vorverarbeitungsrechnern 5a, 5b, 5c an den sicheren Rechner 7 übergeben (schematisch ist die Übergabe der Sensorgüte SG und der Orte 0 als gestrichelte Linien zwi¬ schen den Rahmen 4 und 6 dargestellt) . So übergibt der Vor¬ verarbeitungsrechner 5a einen ermittelten Ort 03 und die bei- den Sensorgüten SGl und SG2 der beiden Sensoren 3a, 3b an den sicheren Rechner 7, da der Vorverarbeitungsrechner 5a die Sensordaten Sl, S2 von den beiden Sensoren 3a, 3b erhalten hat. Eine entsprechende Übergabe erfolgt von den Vorverarbei¬ tungsrechnern 5b und 5c.
An den sicheren Rechner 7 können bei Bedarf zusätzliche Sensoren angeschlossen werden, wie beispielsweise ein Balisenle- ser (hier nicht gezeigt) .
Figur 2 zeigt schematisch den oben beschriebenen Ablauf im Vorverarbeitungsrechner 5a, der in Figur 2 in drei Schritte gegliedert ist (die Abläufe in den beiden anderen Vorverarbeitungsrechnern 5b, 5c erfolgen entsprechend) .
Im ersten Schritt erfolgt die Übergabe der Sensordaten Sl, S3, die vom Vorverarbeitungsrechner 5a gelesen werden. Nach dem Lesen werden die Sensordaten Sl, S3 aufbereitet (z. B. kann eine Transformation in ein geeignetes Koordinatensystem durchgeführt werden) . Anschließend führt der Vorverarbei- tungsrechner 5a eine Differenzbildung der Sensordaten Sl, S3 durch, indem er den Differenzfaktor D2-3 berechnet.
Der erste prozessinterne Verarbeitungsschritt dient dabei al¬ so der Ermittlung der Übereinstimmung der Sensordaten S (Or- tungsprimärdaten) der angeschlossenen Sensoren 3. Für diese Ermittlung ist gegebenenfalls eine Vorverarbeitung der gelieferten Sensordaten S notwendig, wie beispielsweise Transfor¬ mation in ein geeignetes Koordinatensystem. Das Maß der Über- einstimmung der Sensordaten S wird mittels einer Kenngröße
(dem Differenzfaktor Dl-2, Dl-3, D2-3) bewertet. Der aktuelle Differenzfaktor Dl-2, Dl-3, D2-3 kann zwischen einem Minimum (beste Übereinstimmung) und einem Maximum (keine Übereinstimmung) liegen. Für die Ermittlung des Differenzfaktors Dl-2, Dl-3, D2-3 können prozessspezifisch festgelegte Toleranzen genutzt werden.
Im zweiten Schritt werden die Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3 von den beiden anderen Vorverarbeitungsrechnern 5b, 5c über- nommen und der Differenzfaktor D2-3 an die beiden anderen Vorverarbeitungsrechner 5b, 5c übergeben. Die Sensordaten werden mit Hilfe der Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 einem Plausibilitätstest unterzogen, der das Ziel hat, erhebliche Sensorfehler zu offenbaren und deren Daten Sl, S2, S3 von der weiteren Verarbeitung auszuschließen. Anschließend erfolgt die Berechnung der Sensorgüte SGl, SG2, SG3 für alle Sensoren 3a, 3b, 3c, deren Daten Sl, S2, S3 plausibel sind. Aus dem Vergleich von Dl-2 mit D2-3 wird die Sensorgüte SG2 und aus dem Vergleich von Dl-3 mit D2-3 wird die Sensorgüte SG3 be- stimmt. Dem schließt sich der dritte Schritt an, bei dem ein gemittelter Ort Ol anhand der Sensordaten S2, S3 und der Sensorgüte SG2, SG3 als Gewichtsfaktoren berechnet wird. Der so berechnete Ort Ol mit der ermittelten Sensorgüte SG2, SG3 wird dann an den sicheren Rechner 7 übergeben. Der gesamte Ablauf wiederholt sich zyklisch für die jeweils aktuellen Sensordaten Sl, S2, S3.
Der zweite Verarbeitungsschritt dient also der Ermittlung der Qualität der aktuellen Daten Sl, S2, S3 jedes angeschlossenen Sensors 3 (sensorspezifische Ortungsgüte als Sensorgüte SGl, SG2, SG3) . In diesem Schritt wird der prozessintern ermittelte Differenzfaktor Dl-2, Dl-3, D2-3 mit dem der anderen Prozesse Pl, P2, P3 verglichen. Dieses erfolgt durch wechselsei- tige Übertragung der prozessspezifisch ermittelten Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 zwischen den Prozessen Pl, P2, P3. Dazu sind diejenigen Prozesse Pl, P2, P3 miteinander gekop¬ pelt, die mindestens einen gemeinsamen Sensor 3a, 3b, 3b (Or¬ tungssensor) benutzen. Aus dem Vergleich der Differenzfakto- ren Dl-2, Dl-3, D2-3 zweier Prozesse Pl, P2, P3 mit einem ge¬ meinsamen Sensor 3a, 3b, 3b kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die Qualität der Sensordaten Sl, S2, S3 (Ortungsprimärda¬ ten) des gemeinsamen Sensors 3a, 3b, 3b geschlussfolgert wer¬ den. Wenn beispielsweise die Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 zweier Prozesse Pl, P2, P3 vergleichbar sind, die einen gemeinsamen Sensor 3a, 3b, 3b nutzen, kann die Sensorgüte SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgüte des gemeinsamen Sensors 3a, 3b, 3b übereinstimmend bewertet werden. Sind die Differenz¬ faktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 dagegen stark unterschiedlich, kann aus dem Vergleich eine Schlussfolgerung auf die Sensorgüte
SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgüte der anderen beteiligten Sensoren 3a, 3b, 3b gezogen werden.
Neben dem Vergleich der Differenzfaktoren Dl-2, Dl-3, D2-3 können in diesem Verarbeitungsschritt weitere Analysen nach dem Stand der Technik erfolgen, um die Plausibilität der Daten Sl, S2, S3 einzelner Sensoren 3a, 3b, 3b zu bewerten. Beispielsweise sind Analysen auf der Basis zurückliegender Sensordaten S (Ortungsprimärdaten) und der bekannten Fahrzeug- dynamik möglich. Die in diesem Verarbeitungsschritt ermittel¬ te sensorspezifische Sensorgüte SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgü¬ te ist ein Maß für das Vertrauen, das den aktuellen Sensordaten Sl, S2, S3 entgegengebracht werden kann. Sie kann zwischen einem Maximum (höchste Qualität der Sensordaten Sl, S2, S3) und einem Minimum (Sensordaten Sl, S2, S3 nicht verwendbar) liegen. Für die Ermittlung der sensorspezifischen Sensorgüte SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgüte können sensor- und prozessspezifische Toleranzen festgelegt werden. Jeder Prozess berechnet also individuell die aktuellen Orte
01, 02, 03 (Ortungsdaten) auf Basis der verfügbaren Sensordaten Sl, S2, S3 (Primärortungsdaten) der angeschlossenen Sen- soren 3a, 3b, 3b und deren sensorspezifischer Sensorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte) . Die Daten Sl, S2, S3 eines Sensors 3a, 3b, 3b (Ortungssensors) werden entsprechend seiner Sen¬ sorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte) bei der Berechnung ge- wichtet. Je höher die Sensorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte) eines Sensors 3a, 3b, 3b ist, umso stärker fließen dessen Da¬ ten S in das Gesamtergebnis ein. Bei minimaler Sensorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte) können die Daten Sl, S2, S3 des betreffenden Sensors 3a, 3b, 3b nicht für die Ortsberechnung verwendet werden.
Für die Berechnung der Orte Ol, 02, 03 können diverse prozessspezifische Algorithmen, wie beispielsweise Filterung, Integration, Transformation usw. angewendet werden. Im Ergebnis der Berechnung steht je Prozess Pl, P2, P3 der aktuelle Fahrzeugort Ol, 02, 03 in einem für die Applikation im siche¬ ren Rechner 7 geeigneten Format zur Verfügung.
Im dritten Verarbeitungsschritt erfolgt dann die Berechnung der aktuellen Orte Ol, 02, 03 (Ortungsdaten) in den Vorverar- beitungsrechnern 5a, 5b, 5c und die Ausgabe an die Applikati¬ on (nicht gezeigt) des sicheren Rechners 7.
In Figur 3 ist die Verarbeitung der übergebenden Daten, der Orte Ol, 02, 03 und der Sensorgüte SGl, SG2, SG3, schematisch dargestellt, wobei diese Daten zunächst vom sicheren Rechner gelesen werden. Damit beginnt der erste Schritt, nämlich die Prozessprüfung, dem der Vergleich der Ortungsdaten (Orte Ol,
02, 03) folgt, also der Orte Ol, 02, 03, die von den drei Vorverarbeitungsrechnern 5a, 5b, 5c ermittelt wurden. Weiter werden die sensorspezifische Sensorgüte SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgüte (zwei Werte je Sensor) verglichen, um dann je¬ weils mittels Mehrheitsentscheidung fehlerhafte Daten zu sus- pendieren. Mehrheitsentscheidung bedeutet hier, dass die Orte Ol, 02, 03 und die Sensorgüte SGl, SG2, SG3 nicht verworfen werden, die mehrheitlich innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen. Aus den verbleibenden Orten Ol und/ oder 02 und/ oder 03 und der Sensorgüte SGl und/ oder SG2 und/ oder SG3 ermit¬ telt der sichere Rechner 7 einen Fahrzeugort 0, in den die verbliebenen Orte Ol und/oder 02 und/oder 03 gewichtet mit der zugehörigen Sensorgüte SGl und/oder SG2 und/oder SG3 eingehen .
Das prozessspezifische Ortungsergebnis (Ortsbestimmungsergeb¬ nis) jedes Prozesses Pl, P2, P3 wird also an die Applikation im sicheren Rechner 7 ausgegeben. Zusammen mit dem Ortungsergebnis wird von jedem Prozess Pl, P2, P3 für alle angeschlos- senen Sensoren 3a, 3b, 3b deren sensorspezifische Sensorgüte SGl, SG2, SG3 bzw. Ortungsgüte an die Applikation übergeben.
Die im sicheren Fahrzeugrechner 7 bereitgestellten Ortungsergebnisse basieren auf verschiedenen Sensoren 3a, 3b, 3b und diversitärer Verarbeitung durch die Prozesse Pl, P2, P3. Bei ordnungsgemäßer Funktion der Sensoren 3a, 3b, 3b (Ortungssensoren) und Vorverarbeitungsprozesse Pl, P2, P3 müssen die Or¬ tungsergebnisse der verschiedenen Prozesse Pl, P2, P3 im Rah¬ men der sensorbedingten Toleranzen übereinstimmen. Darüber hinausgehende Abweichungen können folgende Ursachen haben:
a) fehlerhafte Sensordaten Sl, S2, S3 - beispielsweise durch Ausfall eines Sensors 3a, 3b, 3b oder
b) fehlerhafte Funktion eines Vorverarbeitungsprozesses Pl, P2, P3 - beispielsweise durch einen Implementierungsfehler im Vorverarbeitungsrechner 5a, 5b, 5c.
Da die Fahrzeugortung eine sicherheitskritische Funktion ist, besteht für den sicheren Fahrzeugrechner 7 die Aufgabe, Feh- ler der Sensoren 3a, 3b, 3b (Sensorik) und der Vorverarbeitung aufzudecken und eine angepasste Reaktion einzuleiten. Gleichzeitig besteht die Aufgabe, die Ortungsfunktion tole¬ rant gegenüber Fehlereinflüssen einzelner Sensoren 3a, 3b, 3b und Vorverarbeitungsprozesse Pl, P2, P3 auszulegen, um die Systemverfügbarkeit sicherzustellen. Durch Verwendung von mindestens drei Sensoren 3a, 3b, 3b und drei Prozessen Pl, P2, P3 können die Vorverarbeitungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) geprüft und mehrheitlich beurteilt werden (Mehrheitsent- scheid) . Der Mehrheitsentscheid ist eine bekannte Methode für eine sicherheitsrelevante mehrkanalige Datenverarbeitung. Diese Methode wird dahingehend erweitert, dass die mehrkana- lig ermittelten Vorverarbeitungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) Kriterien für deren Beurteilung durch die sichere Applikation (Applikation auf dem sicheren Rechner 7) enthalten. Weiterhin ermöglichen die Kriterien eine differenzierte Fehleranalyse der Ursachen nach a) und b) .
Die Bewertung und Weiterverarbeitung der diversitär ermittel- ten Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) aus den Vorverarbei¬ tungsrechnern 5 erfolgt im sicheren Fahrzeugrechner 7 in zwei Schritten. Der erste Schritt besteht darin, die korrekte Funktion der Prozesse Pl, P2, P3 der Vorverarbeitungsrechner 5 anhand von deren Ergebnissen zu überprüfen (Analyse nach b) . Werden die Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) eines Pro¬ zesses Pl, P2, P3 durch die Prüfung als fehlerfrei erkannt, erfolgt deren Verwendung bei der weiteren Ortungsberechnung im sicheren Rechner 7. Andernfalls werden diese Ortungsergeb¬ nisse (Orte Ol, 02, 03) für die Weiterverwendung gesperrt.
Für die Prozessprüfung können einerseits die gelieferten Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03) der Prozesse und andererseits die Daten der sensorspezifischen Sensorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte) genutzt werden.
Die verschiedenen Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) der Vorverarbeitungsprozesse Pl, P2, P3 können auf Plausibilität überprüft werden. Die Plausibilitätsprüfung kann den Ver- gleich der Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03) und die Ermittlung der Abweichungen zwischen den Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03) beinhalten. Weichen die Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03) eines Prozesses Pl, P2, P3 so stark von den Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03) der anderen Prozesse Pl, P2, P3 ab, dass festgelegte Toleranzen überschritten werden, kann dieses ein Indiz für fehlerhafte Verarbeitung im Prozess Pl, P2, P3 sein.
Weiterhin erfolgt im Rahmen der Plausibilitätsprüfung ein Vergleich der von verschiedenen Prozessen Pl, P2, P3 zu einem Sensor 3a, 3b, 3b gelieferten Daten der sensorspezifischen Sensorgüte SGl, SG2, SG3 (Ortungsgüte). Melden beispielsweise zwei Prozesse für den gleichen Sensor 3a, 3b, 3b eine sensorspezifische Ortungsgüte SGl, SG2, SG3, deren Differenz größer als eine festgelegte Toleranz ist, kann dieses als Indiz für einen Verarbeitungsfehler in einem der beteiligten Prozesse Pl, P2, P3 gewertet werden. Wenn im Ergebnis der Plausibili¬ tätsprüfung eine Nichtübereinstimmung der sensorspezifischen Ortungsgüte SGl, SG2, SG3 zweier Prozesse Pl, P2, P3 für ei- nen Sensor 3a, 3b, 3b gefunden wird, können die Ortungsergeb¬ nisse (Orte Ol, 02, 03) der beteiligten Prozesse Pl, P2, P3 mit ggf. geringerem Gewicht bei der Ortungsberechnung im sicheren Rechner 7 verwendet werden. Wird bei der Plausibili¬ tätsprüfung entdeckt, dass z.B. die sensorspezifische Or- tungsgüte SGl, SG2, SG3 mehrerer Sensoren 3a, 3b, 3b eines
Prozesses Pl, P2, P3 nicht zu der sensorspezifischen Ortungs¬ güte SGl, SG2, SG3 der identischen Sensoren 3a, 3b, 3b der Nachbarprozesse passt, ist dieses ein Indiz für fehlerhafte Prozessverarbeitung im betreffenden Prozess Pl, P2, P3. In diesem Fall werden die Ortungsergebnisse dieses Prozesses Pl, P2, P3 für die weitere Verarbeitung gesperrt. Durch Überprü¬ fung der sensorspezifischen Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) für alle Sensoren 3a, 3b, 3b können alle Prozesse Pl, P2, P3 systematisch überprüft werden.
Bei ausreichender Übereinstimmung der sensorspezifischen Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) für alle Sensoren 3a, 3b, 3b eines Prozesses Pl, P2, P3 mit der sensorspezifischen Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) dieser Sensoren 3a, 3b, 3b in den anderen Prozessen Pl, P2, P3 werden die Ergebnisse dieses Prozesses Pl, P2, P3 durch die Nachbarschafts¬ beziehung zu den anderen Prozessen Pl, P2, P3 gestützt und sind damit vertrauenswürdig. Da die sensorspezifische Or¬ tungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) nicht zwischen den Vor¬ verarbeitungsrechnern 5a, 5b, 5c ausgetauscht wird, kann ein fehlerhaft arbeitender Prozess Pl, P2, P3 seine Daten für die sensorspezifische Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) nicht so manipulieren, dass sie regelmäßig zu den Daten der anderen Prozesse Pl, P2, P3 passen und dadurch seine Fehlfunktion verdecken (Robustheit gegenüber Byzantinischen Fehlern) .
Im Ergebnis der Prozessüberprüfung im ersten Schritt wird also für jeden Prozess Pl, P2, P3 der Vorverarbeitungsrechner 5a, 5b, 5c festgelegt, ob die gelieferten Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) für die Ortungsberechnung im sicheren Rechner 7 weiterverwendet werden dürfen.
Der zweite Schritt der Verarbeitung der Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) im sicheren Rechner besteht in der Berechnung des sicherheitskritischen Fahrzeugorts (Ort 0) einschließlich eines Vertrauensintervalls.
Für diesen Schritt werden nur die aus dem ersten Schritt zugelassenen Ortungsergebnisse (Orte Ol und/oder 02 und/oder 03) herangezogen.
In die Berechnung einer resultierenden Fahrzeugortung gehen die Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) anteilig und gewich- tet ein. Das Gewicht eines Ortungsergebnisses (Orte Ol, 02, 03) ergibt sich durch Berücksichtigung der sensorspezifischen Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) für alle Sensoren 3a, 3b, 3b eines Prozesses Pl, P2, P3. Je höher die durchschnitt¬ liche Ortungsgüte (Sensorgüte SGl, SG2, SG3) aller Sensoren 3a, 3b, 3b eines Prozesses Pl, P2, P3 ist, umso stärker flie¬ ßen dessen Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) in die Berech- nung der resultierenden Fahrzeugortung (Ort O) ein und umgekehrt. Die resultierende Fahrzeugortung (Ort O) kann durch Mittelwertbildung der gewichteten Ortungsergebnisse (Orte Ol, 02, 03) erfolgen.
Weiter können zusätzliche verfügbare Ortungsdaten des siche¬ ren Rechners 7, wie beispielsweise Baliseninformationen bei der Ortungsberechnung verwendet werden. Das Resultat der Ortungsberechnung (Ort O) kann auf Plausibilität überprüft wer- den, beispielsweise durch Vergleich mit extrapolierten zeitlich zurückliegenden Ortungsdaten (Orte Ol, 02, 03).
Die Berechnung des Vertrauensintervalls für den Aufenthalts¬ ort (Orte Ol, 02, 03) des Fahrzeuges hängt von der erreichten Ortungsgenauigkeit ab. Die Ortungsgenauigkeit unterliegt fol¬ genden Einflüssen:
1. Anzahl der nach der Plausibilitätsprüfung für die Berechnung zugelassenen Prozesse Pl, P2, P3
2. Anzahl der Sensoren 3a, 3b, 3b, auf denen die resultierende Fahrzeugortung basiert
3. erreichtes Niveau der sensorspezifischen Ortungsgüte (Sen- sorgüte SGl, SG2, SG3) der verwendeten Sensoren 3a, 3b, 3b
(Qualität der Ortungsergebnisse)
Diese Einflussfaktoren können bei der Berechnung des Vertrauensintervalls berücksichtigt werden. Beispielsweise kann sich die Größe des Vertrauensintervalls jeweils verändern, wenn ein Ortungssensor 3a, 3b, 3b zeitweise unbrauchbare Daten liefert und sich anschließend wieder resynchronisiert. Wei¬ terhin kann das Vertrauensintervall durch zusätzliche Or¬ tungssensoren im sicheren Fahrzeugrechner verbessert werden (z.B. durch Berücksichtigung von Balisen).
Das resultierende Vertrauensintervall des Fahrzeuges ist da¬ mit dynamisch. Zur Erhöhung Genauigkeit wird also im sicheren Rechner 7 ein Vertrauensintervall unter Verwendung der Sensorgüte SGl, SG2, SG3 und/oder den sensorspezifischen Toleranzen gebildet.
Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit verwendet der sichere Rechner 7 hier als Beispiel die von einer Balise gelieferte Information, um eine Korrektur des berechneten Orts O vorzunehmen, wobei er den berechneten Ort O anschließend noch ei- ner Plausibilitätsprüfung unterzieht. Der dann so ermittelte Ort O steht damit zur Verwendung z.B. zur Zugsicherung bereit .
Der gesamte Ablauf wiederholt sich mit einem festgelegten Zyklus im sicheren Rechner 7 oder nach dem Eintreffen neuer
Daten Sl, S2, S3 aus den Vorverarbeitungsrechnern 5a, 5b, 5c. Die Synchronisation mittels Balisen erfolgt nur dann, wenn jeweils aktuelle Balisendaten verfügbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Orts (O) und/oder einer Bewegungsgröße von sich bewegenden Objekten (1), insbesondere von sich bewegenden spurgebundenen Fahrzeugen, wobei mindestens ein im Objekt (1) angeordneter Sensor (3) vorgesehen ist, der Sensordaten (S) über den Ort (O) und/oder die Bewegungsgröße ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sensoren (3a, 3b, 3b) im Objekt (1) an¬ geordnet sind, die unabhängig voneinander Sensordaten (Sl, S2, S3) über den Ort (Ol, 02, 03) und/oder die Bewegungsgröße ermitteln und an Prozesse (Pl, P2, P3) übergeben, die auf ei¬ nem oder mehreren ebenfalls im Objekt (1) angeordneten Vor- Verarbeitungsrechnern (5a, 5b, 5c) ablaufen, wobei jeder Pro- zess (Pl, P2, P3) die Sensordaten (Sl, S2, S3) von mindestens zwei Sensoren (3a, 3b, 3b) verarbeitet und wobei jeder Sensor (3a, 3b, 3b) seine Sensordaten (Sl, S2, S3) an mindestens zwei Prozesse (Pl, P2, P3) übergibt, dass jeder Prozess (Pl, P2, P3) einen Differenzfaktor (Dl-2, Dl-3, D2-3) aus der Differenz der Sensordaten (Sl, S2, S3) von je zwei Sensoren (3a, 3b, 3b) berechnet, dass die Prozesse (Pl, P2, P3) die Differenzfaktoren (Dl-2, Dl-3, D2-3) untereinander austauschen und anhand der ausge- tauschten Differenzfaktoren (Dl-2, Dl-3, D2-3) die Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) für jeden Sensor (3a, 3b, 3b) als Maß für die berechnete Sensorgenauigkeit ermitteln, dass die Prozesse (Pl, P2, P3) anhand der Sensordaten (Sl, S2, S3) und der Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) jeweils den Ort (Ol, 02, 03) und/oder die Bewegungsgröße jeweils gewichtet mit der zugehörigen Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) berechnen, dass jeder Prozess (Pl, P2, P3) die Orte (Ol, 02, 03) und/oder Bewegungsgrößen und die Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) an einen ebenfalls im Objekt (1) angeordneten sicheren Rech- ner (7) übergibt, der die Orte (Ol, 02, 03) und/oder Bewe¬ gungsgrößen und/oder die Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) jeweils vergleicht und die Orte (Ol, 02, 03) und/oder Bewegungsgrößen und die Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) nicht verwirft, die mehr- heitlich innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen, während er die außerhalb liegenden verwirft, und dass der sichere Rechner (7) aus den nicht verworfenen Orten (Ol, 02, 03) und/oder Bewegungsgrößen jeweils gewichtet mit der zugehörigen Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) den Ort (0) und/oder die Bewegungsgröße berechnet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (3a, 3b, 3b) bezogen auf den Ort (Ol, 02, 03) als auch auf jede Bewegungsgröße nach unterschiedlichen Wirkprinzipien arbeiten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse (Pl, P2, P3) aus unterschiedlichen Program¬ men/unterschiedlicher Software aufgebaut sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus zur Bestimmung der Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) sensorspezifische Toleranzen berücksichtigt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass im sicheren Rechner (7) zur Berechnung des Vertrauensintervalls unter Verwendung der Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) und/oder den sensorspezifischen Toleranzen gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorverarbeitungsrechner (5a, 5b, 5c) vorgesehen sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bezüglich der Verwerfung der Orte (Ol, 02, 03) und/oder der Bewegungsgrößen und der Sensorgüte (SGl, SG2, SG3) mit bekannten Plausibilitätsverfahren kombiniert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesse (Pl, P2, P3) auf mehrere Vorverarbeitungs¬ rechner (5a, 5b, 5c) aufgeteilt sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als drei unabhängig voneinander arbeitende Sensoren (3a, 3b, 3b) verwendet werden.
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