DE102006007788A1

DE102006007788A1 - Verfahren zur rechnergestützten Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebenen Streckenverlauf fahrenden Fahrzeugs, insbesondere eines spurgebundenen Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102006007788A1
Application number: DE102006007788A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Bauer; Wendelin Dr. Feiten; Gisbert Dr. Lawitzky; Manfred Wiesand; Thomas Dr. Wösch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-08-30
Also published as: WO2007096273A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebenen Streckenverlauf (1) fahrenden Fahrzeugs (2), insbesondere eines spurgebundenen Schienenfahrzeugs, bei dem: a) mit einem auf dem Fahrzeug (2) positionierten Sensorsystem (3) während der Fahrt die in einer vorgegebenen Umgebung um das Fahrzeug auftauchenden Objekte (4, 5, 6) detektiert werden und deren räumliche Positionsdaten in Bezug auf den Streckenverlauf (1) berechnet werden; b) die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) mit räumlichen Positionsdaten von Positionsmarken (4, 5) eines gespeicherten geometrischen Modells des vorgegebenen Streckenverlaufs (1) verglichen werden; c) falls der Vergleich in Schritt b) ergibt, dass die räumlichen Positionsdaten des jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke (4, 5) entsprechen, das detektierte Objekt (4, 5, 6) der Positionsmarke (4, 5) zugeordnet wird; d) falls das jeweilige detektierte Objekt (4, 5, 6) keiner Positionsmarke (4, 5) zuordenbar ist oder für eine Positionsmarke (4, 5) des geometrischen Modells kein Objekt (4, 5, 6) detektiert wird, eine Abweichung vom Normalbetriebszustand festgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebenen Streckenverlauf fahrenden Fahrzeugs sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Fahrzeug.
Beim führerlosen Betrieb von Fahrzeugen, welche einen vorgegebenen Streckenverlauf abfahren, muss kontinuierlich der Betrieb des Fahrzeugs dahingehend überwacht werden, dass sich auf dem Streckenverlauf keine Hindernisse befinden, welche zu einer Kollision mit dem Fahrzeug führen würden.

Die Druckschrift [1] zeigt eine Schutzeinrichtung für ein fahrerloses Transportsystem, bei welchem mit einer an der Stirnseite des Fahrzeugs befindlichen Lichttaster-Anordnung der Boden vor der Stirnseite des Fahrzeugs überwacht wird. Die Reichweite der Lichttaster-Anordnung ist gering und dient lediglich zur kurzreichweitigen Überwachung des Bodenbereichs vor dem Fahrzeug, um hierdurch einen Auffahrschutz zu gewährleisten.

Die Druckschrift [2] offenbart einen automatisch fahrenden Zug mit einem Multi-Sensorsystem umfassend Radar- und Videosensoren. Mit Hilfe dieses Sensorsystems werden vor dem Zug befindliche Objekte detektiert. Mit einem Signalprozessor werden die Sensordaten verarbeitet, um die genaue Position und Geschwindigkeit der detektierten Objekte zu bestimmen. Ferner wird mit dem Sensorsystem der vor dem Fahrzeug liegende Gleisverlauf erfasst, um beurteilen zu können, ob sich ein Objekt auf dem Gleis befindet. In diesem Sensorsystem wird somit immer auch auf während der Fahrt des Zugs ermittelte Streckenverlaufsdaten zurückgegriffen. Da der Verlauf von Gleisen mit Hilfe eines Sensors nicht in beliebiger Entfer nung vom Fahrzeug erfasst werden kann, ist die Reichweite des Systems zur Detektion von Objekten auf dem Gleis begrenzt.

Das Dokument [3] zeigt ein automatisch fahrendes Schienenfahrzeug, bei dem entlang der Schiene Reflektoren angebracht sind, welche über ein Mikrowellenradar am Fahrzeug detektiert werden. Sollten hierbei Abweichungen im Radarecho auftreten, kann darauf geschlossen werden, dass sich Gegenstände auf der Strecke befinden. Darüber hinaus verwendet dieses System zur Detektion von Objekten im größeren Abstand vom Fahrzeug ein Hochfrequenzradar, wobei die Muster der am Objekt reflektierten Wellen erfasst werden. Mit dem Verfahren können zwar auch Objekte in größerer Reichweite vom Fahrzeug detektiert werden, jedoch kann nicht die genaue räumliche Position der Objekte in Bezug auf das Fahrzeug ermittelt werden.

Alle aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur Überwachung des Betriebs eines führerlosen Fahrzeugs weisen den Nachteil auf, dass sie in ihrer Reichweite beschränkt sind bzw. keine genauen räumlichen Positionsdaten der detektierten Objekte ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines führerlos fahrenden Fahrzeugs zu schaffen, welches die genaue Detektion der räumlichen Position von Objekten in großer Reichweite vor dem Fahrzeug ermöglicht.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit einem auf dem Fahrzeug positionierten Sensorsystem während der Fahrt die in einer vorgegebenen Umgebung um das Fahrzeug auftauchenden Objekte detektiert, und deren räumliche Positionsdaten in Bezug auf den Streckenverlauf werden berechnet (Schritt a)). Räumliche Positionsdaten sind hierbei insbesondere dreidimensionale Ortskoordinaten des Objekts in Bezug auf den Streckenverlauf, wobei der Ursprung des Koordinatensystems der Positionsdaten beispielsweise in einem festgelegten Startpunkt des Streckenverlaufs liegt. In einem nächsten Schritt b) werden die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen, in Schritt a) detektierten Objekts mit räumlichen Positionsdaten von Positionsmarken eines gespeicherten geometrischen Modells des vorgegebenen Streckenverlaufs verglichen. Falls der Vergleich in Schritt b) ergibt, dass die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke aus dem gespeicherten geometrischen Modell entsprechen, wird in einem Schritt c) das detektierte Objekt der Positionsmarke zugeordnet. Falls ein detektiertes Objekt keiner Positionsmarke zuordenbar ist oder für eine Positionsmarke des geometrischen Modells kein Objekt detektiert wird, wird in einem Schritt d) eine Abweichung vom Normalbetriebszustand festgestellt.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht beim Ablauf des Verfahrens der Strecken- bzw. Schienenverlauf ermittelt, sondern der Verlauf ist bereits vorab erfasst worden und als geometrisches Modell in einem Speicher hinterlegt worden. Dies hat den Vorteil, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Streckenverlauf mit dem verwendeten Sensorsystem nicht "online" detektiert werden muss. Die Erfassung des Streckenverlaufs ist oft mit Schwierigkeiten verbunden, da hierbei insbesondere der Schienenverlauf auf dem Boden erfasst werden muss, was hohe Anforderungen an das Sensorsystem stellt. Insbesondere ist es auch nicht möglich, den Streckenverlauf über eine große Reichweite vom Fahrzeug zu detektieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Vergleich in Schritt b) festgestellt, dass die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke entsprechen, wenn die Abweichung zwischen den Positionsdaten des detektierten Objekts und der Positionsmarke innerhalb eines vorgegebenen Toleranzmaßes liegt. Hierdurch wird die Tatsache berücksichtigt, dass bei der Positionsbestimmung zu einem gewissen Grad immer Fehler auftreten, wobei je nach Anwendung ein gewisses Toleranzmaß für die Fehler festgelegt wird.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil der Positionsmarken als Messmarken eingestuft, wobei im Falle, dass in Schritt c) ein Objekt einer Messmarke zugeordnet wird, aus der durch das Sensorsystem erfassten Entfernung zwischen Fahrzeug und dem der Messmarke zugeordneten Objekt die Position des Fahrzeugs entlang des Streckenverlaufs mit Hilfe der räumlichen Positionsdaten der Messmarke ermittelt wird. Auf diese Weise kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine genaue Lokalisation des Fahrzeugs entlang des Streckenverlaufs durchgeführt werden. Hierbei werden als Messmarken entsprechend geeignete Objekte ausgewählt, welche eine begrenzte Ausdehnung derart aufweisen, dass bei einer Detektion des Objekts durch das Sensorsystem im Wesentlichen immer die gleiche Stelle der Messmarke detektiert wird und somit immer die gleiche Position durch den Sensor erfasst wird.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Positionsermittlung des Fahrzeugs mit Hilfe des hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannten Kalman-Filters.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die räumlichen Positionsdaten des detektierten Objekts und/oder die Position des Fahrzeugs mit Hilfe einer geschätzten Momentanposition des Fahrzeugs entlang des Streckenverlaufs berechnet. Die geschätzte Momentanposition des Fahrzeugs entlang des Streckenverlaufs wird hierbei vorzugsweise mit Hilfe der auf dem Fahrzeug erfassten zurückgelegten Fahrtstrecke ermittelt. Die geschätzte Momentanposition wird vorzugsweise als eine Eingangsgröße des Kalman-Filters verwendet, wobei mit Hilfe des Kalman-Filters diese geschätzte Position entsprechend korrigiert wird, um die exakte Position des Fahrzeugs zu erhalten. Vorzugsweise wird die geschätzte Momentanposition dadurch bestimmt, dass zu der zuletzt ermittelten exakten Position des Fahrzeugs die zwischenzeitlich zurückgelegte Fahrtstrecke hinzugefügt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Falle, dass in Schritt d) ein detektiertes Objekt keiner Positionsmarke zuordenbar ist, die räumlichen Positionsdaten des detektierten Objekts anhand des gespeicherten geometrischen Modells dahingehend überprüft, ob sich das detektierte Objekt auf dem Streckenverlauf befindet. Sollte dies der Fall sein, wird insbesondere ein Warnsignal von dem Fahrzeug ausgegeben und/oder das Fahrzeug wird abgebremst, um eine Kollision mit dem Objekt zu vermeiden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Schritt a) des Verfahrens mit dem Sensorsystem neben den räumlichen Positionsdaten ein oder mehrere weitere charakteristische Merkmale der detektierten Objekte erfasst, wobei für die Positionsmarken des gespeicherten geometrischen Modells die entsprechenden, in einer Trainingsfahrt ermittelten weiteren charakteristischen Merkmale gespeichert sind. Diese weiteren charakteristischen Merkmale umfassen beispielsweise eine oder mehrere Signalstärken der durch das Sensorsystem erfassten, vom detektierten Objekt reflektierten und/oder ausgesendeten Signale. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann hierbei eine Abweichung vom Normalbetriebszustand ferner dann festgestellt werden, wenn die weiteren charakteristischen Merkmale des detektierten Objekts und der dem detektierten Objekt zugeordneten Positionsmarke über ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen. Die Abweichung kann mit bekannten Methoden, beispielsweise mit statistischen Verfahren, analysiert werden, um ihre Ursache festzustellen. Bei der Analyse kann beispielsweise festgestellt werden, dass schlechte Sichtbedingungen vorliegen, wenn die Signalstärke der vom detektierten Objekt reflektierten Signale um einen vorbestimmten Faktor kleiner ist als die entsprechende Signalstärke der dem detektierten Objekt zugeordneten Positionsmarke. Ferner könnte durch die Analyse festgestellt werden, dass ein Defekt des Sensorsystems vorliegt, wenn die Abweichung der charakteristischen Merkmale einen vorgegebenen Wert überschreitet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Detektion der Objekte in Schritt a) ein Sensorsystem eingesetzt, welches wenigstens einen Lasersensor und/oder wenigstens einen Radarsensor umfasst. Mit Hilfe eines Lasersensors können insbesondere weit entfernte Objekte detektiert werden. Der wenigstens eine Lasersensor und/oder Radarsensor verschwenkt hierbei zur Detektion von Objekten ein Detektions-Strahlfeld kontinuierlich in einem vorbestimmten Bereich vor dem Fahrzeug, wodurch eine sehr rasche Detektion eines neu auftauchenden Objekts vor dem Fahrzeug gewährleistet ist.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebenen Streckenverlauf fahrenden Fahrzeugs, wobei mit der Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Die Vorrichtung umfasst insbesondere:

– ein Sensorsystem zur Detektion von während der Fahrt in einer vorgegeben Umgebung um das Fahrzeug auftauchenden Objekten;
– eine Rechnereinheit, welche im Betrieb i) die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts entlang des Streckenverlaufs berechnet und mit räumlichen Positionsdaten von Positionsmarken eines gespeicherten geometrischen Modells des vorgegebenen Streckenverlaufs vergleicht; ii) falls der Vergleich in Schritt i) ergibt, dass die räumlichen Positionsdaten des jeweiligen detektierten Objekts im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke entsprechen, das jeweilige detektierte Objekt der Positionsmarke zuordnet; iii) eine Abweichung vom Normalbetriebszustand feststellt, falls ein detektiertes Objekt keiner Positionsmarke zuordenbar ist oder für eine Positionsmarke des geometrischen Modells kein Objekt detektiert wird.

Das Sensorsystem der Vorrichtung beinhaltet vorzugsweise wenigstens einen Lasersensor und/oder wenigstens einen Radarsensor. Insbesondere wird zur effektiven Detektion von Objekten das Sensorsystem während des Betriebs des Fahrzeugs kontinuierlich verschwenkt.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Fahrzeug zum führerlosen Fahren auf einem vorgegebenen Streckenverlauf, wobei das Fahrzeug die oben definierte Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs des Fahrzeugs beinhaltet. Das Fahrzeug ist dabei vorzugsweise ein spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, beispielsweise eine Eisenbahnlokomotive.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematisierte Draufsicht auf ein entlang eines Streckenverlaufs fahrenden Fahrzeugs zur Verdeutlichung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung der räumlichen Ausrichtung eines Sensorsystems zur Verdeutlichung von in dem erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Lokalisierungsfehlern des Fahrzeugs.
In 1 ist in Draufsicht ein Teilstück eines Streckenverlaufs 1 wiedergegeben, bei dem es sich um eine Gleisstrecke handelt, welche von einem spurgebundenen Fahrzeug 2 abgefahren wird. Das Fahrzeug 2 ist nur schematisiert wiedergegeben und es handelt sich insbesondere um eine Zuglokomotive, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren führerlos den Streckenverlauf 1 abfahren kann.
Um das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden, wurde zunächst in einem oder mehreren Trainingsläufen der Strecken verlauf 1 mit dem Fahrzeug 2 abgefahren. Mithilfe eines sich in Fahrtrichtung F am vorderen Ende befindlichen Sensorsystems 3, das in 1 auch nur schematisch angedeutet ist, werden während der Trainingsläufe die Objekte am Streckenverlauf detektiert. Das Sensorsystem umfasst hierbei vorzugsweise einen verschwenkbaren Lasersensor, der einen Detektions-Laserstrahl L mit relativ großer Reichweite nach vorne abstrahlt und kontinuierlich verschwenkt, so dass die Umgebung vor dem Fahrzeug 2 durch den Laserstrahl im Wesentlichen "gescannt" wird. Zusätzlich und gegebenenfalls auch alternativ zum Lasersensor können auch noch weitere Sensoren, beispielsweise Radarsensoren oder Kombinationen aus mehreren Radarsensoren zur Erfassung der vor dem Fahrzeug liegenden Umgebung vorgesehen sein.
Die während des Trainingslaufs detektierten Objekte werden mit dem Sensorsystem 3 erfasst und ihre räumlichen dreidimensionalen Positionen werden in einer Rechnereinheit im Fahrzeug berechnet. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Streckenverlauf kartographisch erfasst ist und eine Position des Fahrzeugs beim Detektieren eines Objekts über die zurückgelegte Fahrstrecke feststellbar ist. Die zurückgelegte Fahrtstrecke kann dabei beispielsweise über Radsensoren am Fahrzeug ermittelt werden. Mit Hilfe der Position des Fahrzeugs und der Richtung des Laserstrahls sowie der über das Sensorsystem 3 ermittelbaren Entfernung des Fahrzeugs 2 zum Objekt kann dann die dreidimensionale Position des Objekts berechnet werden.
In dem Beispiel der 1 werden Masten 4 am linken Streckenrand sowie ein Transformator 5 am rechten Streckenrand als Objekte erfasst. Diese Objekte stellen die Positionsmarken im Sinne von Anspruch 1 dar. Aus diesen Positionsmarken werden wiederum Messmarken, welche auch als Landmarken bezeichnet werden, ausgewählt. Es werden dabei Positionsmarken als Messmarken verwendet, die sich besonders gut zur weiter unten beschriebenen Positionsbestimmung des Fahrzeugs mit Hilfe des Sensorsystems eignen. Insbesondere sind dies Posi tionsmarken, die eine geringe räumliche Ausdehnung parallel zum Streckenverlauf aufweisen, so dass beim Detektieren der Messmarken geringe Messfehler auftreten. In dem Beispiel der 1 sind die Messmarken die Masten 4. Der Transformator 5 eignet sich nicht als Messmarke, da er eine große Breite in Richtung des Streckenverlaufs aufweist, so dass bei der Erfassung mit dem Laserstrahl L große Messtoleranzen auftreten.
Nach der Durchführung von Trainingsfahrten wird mit Hilfe des kartographisch hinterlegten Streckenverlaufs sowie der Informationen über die Positionen der Positionsmarken ein geometrisches Modell des Streckenverlaufs erzeugt. Dieses Modell enthält insbesondere alle räumlichen 3D-Positionen der in der Trainingsfahrt erfassten Positionsmarken. Das geometrische Modell ist in dem Speicher einer Rechnereinheit in dem Fahrzeug 2 hinterlegt und wird im nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren dazu verwendet, die Fahrt des Fahrzeugs zu überwachen und die momentane Position des Fahrzeugs zu lokalisieren.
Im führerlosen Betrieb des Fahrzeugs startet das Fahrzeug an einer bekannten Position am Streckenverlauf. Beim Fahren wird die ganze Zeit mit dem Sensorsystem die Umgebung vor dem Fahrzeug nach Objekten abgesucht. Sobald ein Objekt detektiert ist, wird die räumliche Position des Objekts entlang des Streckenverlaufs in der Rechnereinheit des Fahrzeugs 2 berechnet. Hierzu werden in dem Fahrzeug z.B. die Daten von Radsensoren ausgewertet, mit denen erfasst wird, welche Strecke zurückgelegt wurde. Da der Anfangspunkt der Strecke bekannt ist, kann hierdurch mit Hilfe des im Speicher der Rechnereinheit hinterlegten geometrischen Modells des Streckenverlaufs eine ungefähre Position des Fahrzeugs auf der Strecke bestimmt werden. Aufgrund der Messung mit dem Sensorsystem ist die Ausrichtung des Sensors bei der Detektion des Objekts sowie seine Entfernung zum Objekt bekannt, d.h. die räumliche Position des detektierten Objektes in Bezug auf die Momentanposition des Fahrzeugs ist bekannt. Folglich kann auch die räumliche Position des detektierten Objekts entlang des Streckenverlaufs mit Hilfe der Fahrzeugposition bestimmt werden. Die auf diese Weise berechnete räumliche Position des Objekts wird mit den räumlichen Positionsdaten des gespeicherten geometrischen Modells verglichen. Es wird hierbei überprüft, ob eine räumliche Position einer gespeicherten Positionsmarke innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs mit der räumlichen Position des detektierten Objektes übereinstimmt.
Wird eine solche Übereinstimmung gefunden, wird dem detektierten Objekt diese Positionsmarke zugeordnet, das heißt es wird davon ausgegangen, dass das detektierte Objekt dieser Positionsmarke entspricht. Sollte die Positionsmarke nunmehr eine Landmarke sein, eignet sich diese zur genauen Lokalisierung des Fahrzeugs 2 entlang der Strecke 1. Es wird dann eine Korrektur der abgeschätzten Momentanposition des Fahrzeugs durchgeführt. Die Korrektur erfolgt derart, dass dem Objekt die räumlichen Positionsdaten der zugeordneten Messmarke zugewiesen werden, wodurch Fehler in Bezug auf die Lokalisierung des Sensorsystems bzw. des Fahrzeugs ausgeglichen werden. Mit Hilfe der durch den Sensor ermittelten Entfernung zwischen dem detektierten Objekt und dem Fahrzeug kann dann mit Hilfe eines Kalman-Filters eine neue korrigierte Position des Fahrzeugs auf der Strecke bestimmt werden. Der Kalman-Filter ist hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um einen stochastischen Zustandsschätzer für dynamische Systeme, der Zustände oder Parameter des Systems aufgrund von teils redundanten Messungen abschätzt. In der hier beschriebenen Ausführungsform wird als Zustandsgröße die Position des Fahrzeugs entlang der Strecke verwendet. Als Eingangsgröße für die Berechnung mittels des Kalman-Filters wird die abgeschätzte Momentanposition des Fahrzeugs 2 verwendet. Bei der Detektion der nächsten Landmarke kann mit Hilfe der neu bestimmten Position des Fahrzeugs und der seit der Detektion der letzten Landmarke zurückgelegten Strecke wiederum die Momentanposition des Fahrzeugs abgeschätzt werden, wobei diese Momentanposition dann bei der Berechnung der neuen Position des Fahrzeugs mit Hilfe des Kalman-Filters verwendet wird.
Mit dem soeben beschriebenen Verfahren kann im ordnungsgemäßen Betrieb, das heißt wenn die räumliche Position des detektierten Objekts mit der in dem Speicher hinterlegten räumlichen Position einer Landmarke innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs übereinstimmt, eine Lokalisation des Fahrzeugs auf der Strecke vorgenommen werden. Sollten jedoch Abweichungen zwischen den räumlichen Positionsdaten auftreten, die größer als der Toleranzbereich sind, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren festgestellt, dass eine Abweichung vom Normalbetriebszustand vorliegt. Eine solche Abweichung vom Normalbetriebszustand wird auch immer dann festgestellt, wenn für eine gemäß dem geometrischen Modell erwartete Positionsmarke kein entsprechendes Objekt detektiert wird.
In dem Beispiel der 1 wird eine solche Abweichung vom Normalbetriebszustand beispielsweise bei der Detektion des Objektes 6 festgestellt, bei dem es sich um einen auf der Strecke befindlichen Gegenstand handelt. In dieser Situation wird durch das erfindungsgemäße Verfahren festgestellt, dass der durch das Sensorsystem 3 detektierte Gegenstand 6 keiner Positionsmarke entspricht. In einem nächsten Schritt kann dann durch Vergleich der Position des Objekts mit dem geometrischen Modell des Streckenverlaufs ermittelt werden, dass sich das Objekt auf dem Streckenverlauf befindet. Insbesondere wird die räumliche Position des Objektes 6 dahingehend überprüft, ob sie im so genannten Lichtraumprofil der Strecke liegt. Das Lichtraumprofil gibt für den vorgegebenen Streckenverlauf an, in welchem Querschnittsbereich sich keine Gegenstände befinden dürfen, um hierdurch Gefahren für den Fahrzeugbetrieb zu vermeiden. Es können dann hieraus Konsequenzen gezogen werden, um eine Kollision des Fahrzeugs mit dem Objekt zu vermeiden. Insbesondere kann ein Warnsignal zunächst von dem Fahrzeug ausgegeben werden. Sollte es sich bei dem Objekt 6 beispielsweise um ein Tier handeln, kann unter Umständen erreicht werden, dass das Tier durch das Warnsignal aufgeschreckt wird und sich von dem Streckenverlauf wegbewegt. Eine weitere Konsequenz ist, dass das Fahrzeug abgebremst wird, wenn die Entfernung zum Objekt einen bestimmten Wert unterschreitet, um hierdurch Kollisionen mit dem Objekt zu vermeiden.
Bei den oben beschriebenen Trainingsfahrten, bei dem die räumlichen Positionen der Positionsmarken bestimmt werden, können gegebenenfalls auch noch weitere charakteristische Merkmale der Positionsmarken ermittelt werden. Insbesondere können die Signalstärken der erfassten Sensorsignale bei unterschiedlichen Entfernungen von den detektierten Objekten erfasst werden. Hierbei ist es wichtig, dass die Trainingsfahrt mit dem gleichen Sensorsystem durchgeführt wird, mit dem später im Betrieb Objekte detektiert werden. Die in der Trainingsfahrt erfassten weiteren charakteristischen Merkmale der Positionsmarken werden ebenfalls abgespeichert. Im tatsächlichen Betrieb werden die gleichen charakteristischen Merkmale bei der Detektion eines Objekts erfasst und mit den im Speicher hinterlegten Merkmalen verglichen. Auf diese Weise können weitere Unregelmäßigkeiten vom Normalbetriebszustand erfasst werden. Beispielsweise kann der Fall auftreten, dass bei der Detektion des Objekts zwar eine räumliche Übereinstimmung zwischen dem detektierten Objekt und einer gespeicherten Positionsmarke festgestellt wird, wobei sich jedoch die Signalstärken bei der Detektion von den im Speicher hinterlegten Signalstärken stark unterscheiden. Sind die Signalstärken im Betrieb wesentlich geringer als die im Speicher hinterlegten Signalstärken, kann darauf geschlossen werden, dass veränderte Umgebungsbedingungen, insbesondere Nebel, vorliegen. Sollten die Signalstärkenabweichungen sehr groß sein, kann ferner darauf geschlossen werden, dass eine Funktionsstörung des Sensors vorliegt. Es sind hierbei beliebige Methoden der Auswertung von derartigen charakteristischen Merkmalen denkbar und die obigen genannten Methoden sind lediglich Beispiele solcher Auswertungen.
Mit dem soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren kann auf vielfältige Weise der Betrieb eines Fahrzeugs überwacht werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von Sensoren mit großer Reichweite bereits sehr früh erkannt werden, ob sich Objekte auf der Strecke befinden. Die Verwendung von langreichweitigen Sensoren wird dadurch ermöglicht, dass es in dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig ist, den Gleisverlauf selbst zu erfassen, weil bereits vorab ein geometrisches Modell des Streckenverlaufs und somit des Gleisverlaufs in einem Speicher im Fahrzeug hinterlegt ist. Im Gegensatz hierzu werden in bekannten Systemen nur Sensoren mit kurzer Reichweite verwendet, welche auch immer gleichzeitig den Gleisverlauf miterfassen. Dies erfordert eine hohe Rechenkapazität und es besteht die Gefahr, dass Objekte auf dem Streckenverlauf aufgrund der kurzen Reichweite der Sensoren zu spät erfasst werden. Es können somit Kollisionen auftreten.
Bei dem Betrieb des Fahrzeugs müssen die Positionen der Objekte mit einer ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden. Sollte diese Genauigkeit nicht gewährleistet sein, kann insbesondere der Fall auftreten, dass aufgrund eines zu großen Fehlers bei der Positionsbestimmung detektiert wird, dass ein Objekt nicht in das Lichtraumprofil hineinragt, obwohl es sich tatsächlich im Lichtraumprofil befindet. Im Bereich des Schienenverkehrs sollte bei einer Sensorreichweite von 240 m ein gemessener Punkt vom wahren Hindernispunkt um höchstens 50 cm abweichen.
Ein Fehler bei der Positionsbestimmung der Objekte kann grundsätzlich aus drei Quellen stammen. Zum einen können Messfehler des Sensors auftreten, zum anderen können Approximationsfehler bei der numerischen Berechnung der Position auftreten. Ferner können Lokalisationsfehler auftreten, deren Ursache eine falsche bzw. ungenaue Lokalisation des detektierenden Sensors bei der Messung ist. Bei den Lokalisationsfehlern sind sechs räumliche Größen zu berücksichtigen, und zwar die translatorische Position des Sensors in x-Richtung (Rich tung des Streckenverlaufs), in y-Richtung (quer zum Gleis) und in z-Richtung (Hoch-Richtung senkrecht zum Gleis). Weitere Lokalisationsfehler werden durch eine ungenaue Ausrichtung des Sensors bei der Messung verursacht, wobei die Ausrichtung durch den Gierwinkel γ, den Nickwinkel ν und den Rollwinkel ρ erfasst wird. Die Winkel bezeichnen die Neigung des Koordinatensystems des Sensors gegenüber der Horizontalen bzw. Vertikalen. Der Rollwinkel ρ beschreibt hierbei die Drehung des Koordinatensystems um die x-Achse, der Nickwinkel ν bezeichnet die Drehung des Koordinatensystems um die y-Achse und der Gierwinkel γ bezeichnet die Drehung des Koordinatensystems um die z-Achse.
2 verdeutlicht nochmals die soeben gemachten Ausführungen betreffend die Lokalisierungsfehler. In 2 ist schematisch ein Koordinatensystem mit x-Achse, y-Achse und z-Achse eines Sensors 3 gezeigt. Ferner ist angedeutet, durch welche Drehungen Gierwinkel, Nickwinkel und Rollwinkel definiert sind. Es können nun Lokalisationsfehler dahingehend auftreten, dass der Sensor entlang der x-Achse, der y-Achse bzw. z-Achse ungenau in translatorischer Richtung positioniert ist. Darüber hinaus können Fehler dadurch entstehen, dass die Ausrichtung des Sensors, definiert durch Gierwinkel, Nickwinkel und Rollwinkel, ungenau festgelegt ist.
Bei der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens haben die Erfinder durch Simulationen überprüft, in welchem Toleranzbereich Lokalisierungsfehler auftreten dürfen, um noch eine ausreichend genaue Messwerttoleranz bei der Positionsbestimmung eines Objekts zu gewährleisten. Die Erfinder haben hierbei zwei prototypische Fälle einer Schnellfahrstrecke und einer Rangierstrecke betrachtet. Es wurde dabei davon ausgegangen, dass die Messwerttoleranz, das heißt die Abweichungen des detektierten Objekts von der tatsächlichen Position in x-Richtung 0,6 m und in y- und z-Richtung 0,3 m betragen darf. In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Simulationen für die Schnellfahrstrecke und die Rangierstrecke wiedergegeben.
Tabelle: Lokalisierungs-Toleranzen
Die Größen Δ_xL, Δ_yL, Δ_zL, Δ_γL, Δ_νL Δ_ρL geben hierbei Lokalisierungstoleranzen in Bezug auf einen translatorischen Versatz des Sensors in x-, y- und z-Richtung sowie in Bezug auf die Ausrichtung des Sensors in Richtung der Winkel γ und ν und ρ an. Die aus diesen Lokalisierungstoleranzen simulierten Messwerttoleranzen in Bezug auf die Position des detektierten Objekts sind in der Tabelle als Δ_xR, Δ_yR, Δ_zR angegeben. Es wurde für die Schnellfahrstrecke von einer Sensorreichweite von 120 m und für die Rangierstrecke von einer Sensorreichweite von 40 m ausgegangen. Wie der Tabelle entnommen werden kann, wurden für die dort genannten Lokalisierungstoleranzen immer Messwerttoleranzen ermittelt, welche innerhalb der vorgegebenen Messwerttoleranzen von 0,6 m in x-Richtung und 0,3 m in y- und z-Richtung lagen. Bei der Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde darauf geachtet, dass die auftretenden Lokalisierungsfehler immer innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs gemäß obiger Tabelle lagen.
Literaturverzeichnis

[1] DE 42 15 817 C1 ;
[2] Frank Kruse, Stefan Milch, Hermann Rohling, "Multi Sensor System for Obstacle Detection in Train Applications", GRS 2002, Bonn, September 2002;
[3] Bernhard H. C. Liesenkötter, "Obstruction Detection for People Movers Operating on Conventional Small Branch Railways", IEEE International Conference on Intelligent Vehicles, 1998, S. 280–284.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebenen Streckenverlauf (1) fahrenden Fahrzeugs (2), insbesondre eines spurgebundenen Schienenfahrzeugs, bei dem: a) mit einem auf dem Fahrzeug (2) positionierten Sensorsystem (3) während der Fahrt die in einer vorgegebenen Umgebung um das Fahrzeug auftauchenden Objekte (4, 5, 6) detektiert werden und deren räumliche Positionsdaten in Bezug auf den Streckenverlauf (1) berechnet werden; b) die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) mit räumlichen Positionsdaten von Positionsmarken (4, 5) eines gespeicherten geometrischen Modells des vorgegebenen Streckenverlaufs (1) verglichen werden; c) falls der Vergleich in Schritt b) ergibt, dass die räumlichen Positionsdaten des jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke (4, 5) entsprechen, das detektierte Objekt (4, 5, 6) der Positionsmarke (4, 5) zugeordnet wird; d) falls das jeweilige detektierte Objekt (4, 5, 6) keiner Positionsmarke (4, 5) zuordenbar ist oder für eine Positionsmarke (4, 5) des geometrischen Modells kein Objekt (4, 5, 6) detektiert wird, eine Abweichung vom Normalbetriebszustand festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Vergleich gemäß Schritt b) festgestellt wird, dass die räumlichen Positionsdaten des jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) im Wesentlichen den räumlichen Positionsdaten einer Positionsmarke (4, 5) entsprechen, wenn die Abweichung zwischen den Positionsdaten des detektierten Objekts (4, 5, 6) und der Positionsmarke (4, 5) innerhalb eines vorgegebenen Toleranzmaßes liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens ein Teil der Positionsmarken (4, 5) als Messmarken (4) eingestuft wird, wobei im Falle, dass in Schritt c) ein Objekt (4, 5, 6) einer Messmarke (4) zugeordnet wird, aus der durch das Sensorsystem erfassten Entfernung zwischen Fahrzeug (2) und dem der Messmarke (4) zugeordneten Objekt (4, 5, 6) die Position der Fahrzeugs (2) entlang des Streckenverlaufs (1) mit Hilfe der räumlichen Positionsdaten der Messmarke (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Ermittlung der Position des Fahrzeugs (2) mit Hilfe eines Kalman-Filters durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die räumlichen Positionsdaten des detektierten Objekts (4, 5, 6) in Schritt a) des Anspruchs 1 und/oder die Position des Fahrzeugs (2) gemäß Anspruch 3 mit Hilfe einer geschätzten Momentanposition des Fahrzeugs (2) entlang des Streckenverlaufs (1) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die geschätzte Momentanposition des Fahrzeugs (2) entlang des Streckenverlaufs (1) mit Hilfe der auf dem Fahrzeug erfassten zurückgelegten Fahrtstrecke ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 in Kombination mit Anspruch 3 oder 4, bei dem nach einer Ermittlung der Position des Fahrzeugs (2) eine geschätzte Momentanposition des Fahrzeugs (2) mit Hilfe der ermittelten Position des Fahrzeugs (2) und der nach Ermittlung der Position zurückgelegten Fahrtstrecke des Fahrzeugs (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem, falls im Schritt d) des Anspruchs 1 ein detektiertes Objekt (4, 5, 6) keiner Positionsmarke (4, 5) zuordenbar ist, die räumlichen Positionsdaten des detektierten Objekts (4, 5, 6) anhand des gespeicherten geometrischen Modells dahingehend überprüft werden, ob sich das detektierte Objekt (4, 5, 6) auf dem Streckenverlauf (1) befindet.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem im Falle, dass festgestellt wird, dass sich das detektierte Objekt (4, 5, 6) auf dem Streckenverlauf (1) befindet, ein Warnsignal von dem Fahrzeug (2) ausgegeben wird und/oder das Fahrzeug (2) abgebremst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit dem Sensorsystem (3) in Schritt a) des Anspruchs 1 neben den räumlichen Positionsdaten ein oder mehrere weitere charakteristische Merkmale der detektierten Objekte (4, 5, 6) erfasst werden, wobei für die Positionsmarken (4, 5) des gespeicherten geometrischen Modells die entsprechenden, in einer Trainingsfahrt ermittelten weiteren charakteristischen Merkmale gespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die weiteren charakteristischen Merkmale eine oder mehrere Signalstärken der durch das Sensorsystem (3) erfassten, vom detektierten Objekt (4, 5, 6) reflektierten und/oder ausgesendeten Signale umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem in Schritt d) des Anspruchs 1 eine Abweichung vom Normalbetriebszustand ferner dann festgestellt wird, wenn die weiteren charakteristischen Merkmale des detektierten Objekts (4, 5, 6) und der dem detektierten Objekt (4, 5, 6) zugeordneten Positionsmarke (4, 5) über ein vorbestimmtes Maß voneinander abweichen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abweichung der charakteristischen Merkmale analysiert wird, um die Ursache der Abweichung festzustellen.
Verfahren nach Anspruch 13 in Kombination mit Anspruch 11, bei dem die Analyse feststellt, dass schlechte Sichtbedingungen vorliegen, wenn die Signalstärke der vom detektier ten Objekt (4, 5, 6) reflektierten Signale um einen vorbestimmten Faktor kleiner ist als die entsprechende Signalstärke der dem detektierten Objekt zugeordneten Positionsmarke (4, 5).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Analyse einen Defekt des Sensorsystems feststellt, wenn die Abweichung der charakteristischen Merkmale einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Detektion der Objekte (4, 5, 6) in Schritt a) des Anspruchs 1 ein Sensorsystem eingesetzt wird, welches wenigstens einen Lasersensor und/oder wenigstens einen Radarsensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der wenigstens eine Lasersensor und/oder Radarsensor zur Detektion der Objekte (4, 5, 6) ein Detektions-Strahlfeld kontinuierlich in einem vorbestimmten Bereich vor dem Fahrzeug (2) verschwenkt.
Vorrichtung zur Überwachung des Betriebs eines einen vorgegebene Streckenverlauf (1) fahrenden Fahrzeugs (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: – ein Sensorsystem (3) zur Detektion von während der Fahrt in einer vorgegeben Umgebung um das Fahrzeug auftauchenden Objekten (4, 5, 6); – eine Rechnereinheit, welche im Betrieb i) die räumlichen Positionsdaten eines jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) entlang des Streckenverlaufs (1) berechnet und mit räumlichen Positionsdaten von Positionsmarken (4, 5) eines gespeicherten geometrischen Modells des vorgegebenen Streckenverlaufs (1) vergleicht; ii) falls der Vergleich in Schritt i) ergibt, dass die räumlichen Positionsdaten des jeweiligen detektierten Objekts (4, 5, 6) im Wesentlichen den räumlichen Positi onsdaten der Positionsmarke (4, 5) entsprechen, das jeweilige detektierte Objekt (4, 5, 6) der Positionsmarke (4, 5) zuordnet; iii) eine Abweichung vom Normalbetriebszustand feststellt, falls das jeweilige detektierte Objekt (4, 5, 6) keiner Positionsmarke (4, 5) zuordenbar ist oder für eine Positionsmarke (4, 5) des geometrischen Modells kein Objekt (4, 5, 6) detektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei dem das Sensorsystem (3) wenigstens einen Lasersensor und/oder wenigstens einen Radarsensor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, bei dem das Sensorsystem (3) während des Betriebs des Fahrzeugs zur Detektion von Objekten (4, 5, 6) verschwenkt wird.
Fahrzeug zum führerlosen Fahren auf einem vorgegebenen Streckenverlauf (1), umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20.
Fahrzeug nach Anspruch 21, wobei das Fahrzeug (2) ein spurgebundenes Schienenfahrzeug, insbesondere eine Zuglokomotive, ist.