DE102014214225A1

DE102014214225A1 - Schienenfahrzeug mit einer Datenkommunikationseinrichtung

Info

Publication number: DE102014214225A1
Application number: DE102014214225.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2015-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Satz von Betriebsmitteln (20), einem Leitungssatz (22) umfassend elektrische Leitungen (26, 34), an welche die Betriebsmittel (20) angeschlossen sind, und einem Datenkommunikationssystem (18), durch welches die Betriebsmittel (20) zur Datenkommunikation miteinander vernetzt sind.
Um ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, bei welchem ein sicheres Datenkommunikationssystem geschaffen werden kann, welches eine höhere Flexibilität bezüglich der Behandlung von Funktionalitätsanpassungen und -erweiterungen ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Datenkommunikationssystem (18) zumindest eine Verwaltungseinheit (54) aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine über elektrische Leitungen (26, 34) des Leitungssatzes (22) erfolgende Datenkommunikation mit den Betriebsmitteln (20) zu verwalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit einem Satz von Betriebsmitteln, einem Leitungssatz umfassend elektrische Leitungen, an welche die Betriebsmittel angeschlossen sind, und einem Datenkommunikationssystem, durch welches die Betriebsmittel zur Datenkommunikation miteinander vernetzt sind.
Es sind Schienenfahrzeuge mit leittechnischen Systemen bekannt, die eine fahrzeugeinheitsübergreifende Datenkommunikation ermöglichen. Hierzu sind insbesondere die Wendezugsteuerungen ZWS (Zeitmultiplexe Wendezugsteuerung), ZDS (zeitmultiplexe Doppeltraktionssteuerung) und ZMS (zeitmultiplexe Mehrfachtraktionssteuerung) bekannt, die insbesondere bei Fahrzeugverbänden aus einer Lokomotive und Reisezugwagen bzw. bei Lokomotiven im Mehrfachtraktionsbetrieb zur Anwendung kommen. Über diese Systeme erfolgt ein Datenverkehr ausschließlich zur Erledigung sicherheitsrelevanter Aufgabestellungen des Fahrbetriebs, insbesondere zur Übertragung von Steuerbefehlen bezüglich eines Traktions- und Bremsbetriebs.
Eine Datenkommunikation, die über die reine Behandlung solcher Steuerbefehle hinausgeht und die Übertragung von Signalen weiterer Komponenten, z.B. Türsteuerung, Diagnose, Klimatisierung usw. zusätzlich umfasst, findet mittels der insbesondere für Triebzüge entwickelten Datenbusse WTB („Wire Train Bus“) und ETB („Ethernet Train Bus“) statt. Über diese Zugbusse erfolgt eine wagenübergreifende Datenkommunikation.
Die über solche Busse möglichen Übertragungsfunktionalitäten unterscheiden sich voneinander durch die jeweils relevanten Sicherheitsanforderungen. Während die Übertragung von Steuerbefehlen für die Antriebs- und Bremseinheit wie oben beschrieben strengeren, personenschutzbezogenen Anforderungen unterliegen, die insbesondere in den Normen EN 50128, 50159, 50126, 50129 definiert sind, müssen weitere Dienste, wie z.B. Internetdienste, Infotainment, Abrechungssystem und weitere Funktionalitäten des Fahrgastinformationssystems weniger strenge Anforderungen erfüllen, die in der BRD insbesondere von dem BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik) vorgeschrieben sind.
Die herkömmliche Bustechnologie weist den Nachteil auf, dass sämtliche Übertragungsfunktionalitäten, die über die Zugbusse erfolgen, einer Betriebsgenehmigung unterliegen müssen, und zwar unabhängig von der Art der jeweils anwendungsspezifisch geforderten Sicherheitsanforderungen. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einschränkung in der Anwendung, insbesondere in der Wartung, Aktualisierung und Weiterentwicklung von Funktionalitäten, die zwar per se keinen personenschutzbezogenen Anforderungen unterliegen, wie z.B. Unterhaltungsdienste oder Abrechnungssysteme für die Fahrgäste, bei welchen jedoch Änderungen aufwendige Schutzmechanismen und Nachweisführungen – ggf. sogar einen erneuten Zulassungsvorgang – erfordern. Automatische Änderungen sind demnach sehr eingeschränkt möglich. Diese erfolgen herkömmlicherweise meistens möglichst unabhängig von den vorhandenen Bussen, um einen potentiellen Einfluss auf „Safety“-relevante und daher zulassungsrelevante Funktionalitäten zu minimieren. Beispielsweise werden vorhandene Subsysteme durch Ein- und Ausbau oder durch einen direkten Zugang geändert. Eine bezüglich der Sicherheitsanforderungen differenzierte Behandlung der vorhandenen Funktionalitäten erfolgt typischerweise durch zusätzliche, ad hoc Verbindungen, die von den vorhandenen Zugbussen separat sind und ausschließlich zu ergänzenden Datenübertragungen – insbesondere Softwareupdates – und Verbindungstests genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schienenfahrzeug bereitzustellen, bei welchem ein sicheres Datenkommunikationssystem geschaffen werden kann, welches eine höhere Flexibilität bezüglich der Behandlung von Funktionalitätsanpassungen und -erweiterungen ermöglicht.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass das Datenkommunikationssystem zumindest eine Verwaltungseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine über elektrische Leitungen des Leitungssatzes erfolgende Datenkommunikation mit den Betriebsmitteln zu verwalten. Durch die geschaffene Möglichkeit einer Datenübertragung über eine vorhandene elektrische Vernetzung des Schienenfahrzeugs kann die Flexibilität im Betrieb und in der Verwaltung der Datenkommunikation erheblich gesteigert werden. Diese Flexibilität ist dabei vorteilhaft zu einer differenzierten Behandlung von Datenkommunikationen ausreichend, die gemäß Anforderungen der sogenannten „Security“ einerseits und gemäß Anforderung der sogenannten „Safety“ andererseits zu erfolgen haben. Unter „Safety-Anforderungen“ sollen insbesondere Anforderungen verstanden werden, die in den Normen EN 50128, 50159, 50126 und/oder 50129 definiert sind. Insbesondere zielen die Safety-Anforderungen auf den Personenschutz ab, wobei die Security-Anforderungen weniger strengen Datenschutzanforderungen zugeordnet sind. Durch diese mögliche Differenzierung können bezüglich Betriebsvorgängen, die lediglich Security-Anforderungen unterliegen, wie z.B. Prozessen des Fahrgastinformationssystems, Regelungsvorgängen eines Klimatisierungsaggregats usw. aufwendige Schutz- und Nachweismechanismen bei der Behandlung von Funktionalitätsanpassungen und -erweiterungen entfallen. Besonders vorteilhaft kann eine Abgrenzung von sicherheitsbezogenen Aufgaben, die insbesondere Personenschutzanforderungen unterliegen, von weiteren, überwiegend kommerziellen und komfortbezogenen Funktionalitäten erreicht werden. Außerdem können über den Leitungssatz Betriebsmittel datentechnisch erreicht werden, die herkömmlich an eine digitale Leittechnik nicht bzw. nur indirekt angebunden sind. Ferner kann über eine Einkopplung von Daten in den Leitungssatz eine hohe Übertragungsrate, insbesondere eine Übertragungsrate von zumindest 100 Megabits pro Sekunde, erreicht werden, ohne dass hierfür eine spezielle, komplexe Infrastruktur notwendig ist.
Unter einem „Verwalten“ einer Datenkommunikation soll ein Satz von Handlungen verstanden werden, die zum Herstellen und/oder zum Überwachen der Datenkommunikation dienen.
Die Betriebsmittel weisen zweckmäßigerweise jeweils zumindest eine Aktorik, eine Sensorik und/oder eine Steuereinrichtung auf.
Die elektrischen Leitungen des Leitungssatzes haben als Primärfunktion die Führung analoger elektrischer Signale. Der Leitungssatz ist insbesondere von einem System einer digitalen Datenbusstruktur unterschiedlich, in welchem Daten in digitaler Form übertragen werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Verwaltungseinheit dazu vorgesehen, einen Verwaltungsvorgang auf der Basis einer dem Leitungssatz zugeordneten Schaltdokumentation durchzuführen. Die Verwaltungseinheit kann vorteilhaft dadurch auf einen Datensatz zugreifen, der ohnehin vorhanden ist und aufgrund von Vorschriften bezüglich der Verwaltung, insbesondere der Pflege, einen besonders hohen Zuverlässigkeitsgrad aufweist. Durch Zugriff auf die Schaltdokumentation kann die Verwaltungseinheit schnell, einfach und zuverlässig Kenntnisse über Schaltparameter der über den Leitungssatz zu erreichenden Betriebsmittel erlangen, wie z.B. über einen Einbauort, eine Anschlussart, eine Signalart zum Ansprechen des Betriebsmittels usw.
Besonders vorteilhaft ist die Schaltdokumentation in einer Speichereinheit gespeichert, auf welche zumindest ein Programmmodul der Verwaltungseinheit zugreifen kann. Dieses Programmmodul weist zweckmäßigerweise eine Parser-Funktion auf, durch welche die in der Schaltdokumentation abgelegten Daten zur Bereitstellung eines bestimmten Formats verarbeitet werden, welches für die Ausführung eines Verwaltungsprogramms durch die Verwaltungseinheit geeignet ist. Die Schaltdokumentation umfasst vorzugsweise das sogenannte Betriebsmittelverzeichnis des Schienenfahrzeugs. Besonders vorteilhaft umfasst die Schaltdokumentation zusätzlich einen Schaltplan.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung dient zumindest ein Teil der Leitungen des Leitungssatzes zur Versorgung von Betriebsmitteln mit elektrischer Energie. Die entsprechenden Leitungen sind dabei zweckmäßigerweise von Versorgungsleitungen, die zur Führung von zumindest einer Stromphase vorgesehen sind, und/oder von Leitungen gebildet, die zur Führung eines Referenzpotentials, z.B. eines Masse-, Erd- oder Fahrzeugpotentials dienen.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil der Leitungen des Leitungssatzes Steuerleitungen bilden. Es kann über eine Steuerleitung ein Vorgang eines angeschlossenen Betriebsmittels, insbesondere einer Aktorik, einer Sensorik und/oder einer Steuereinrichtung desselben initiiert werden. Das dabei verwendete Steuersignal ist zweckmäßigerweise ein analoges elektrisches Signal. Insbesondere kann zumindest ein Teil der Leitungen des Leitungssatzes Sicherheitsschleifen bilden. Beispiele für eine Sicherheitsschleife sind insbesondere eine Türsteuerungsschleife, eine Türverriegelungsschleife, eine Notbremsschleife, eine Bremsbefehlsschleife, eine Fahrtrichtungsermittlungsschleife und/oder eine Kuppelschleife.
Der Leitungssatz, welcher mit den beschriebenen Versorgungs- und/oder Steuerleitungen versehen ist, ist in der fachmännischen Sprache gegenüber einer digitalen Datenbusstruktur auch „konventionelle Schalttechnik“ genannt. Er wird zweckmäßigerweise von einer Spannungsversorgung des Schienenfahrzeugs versorgt.
Zweckmäßigerweise weist das Datenkommunikationssystem eine digitale Datenbusstruktur auf, wobei die Verwaltungseinheit mit dem Leitungssatz und der Datenbusstruktur datentechnisch verbunden ist. Die digitale Datenbusstruktur kann verschiedene Datenbusse aufweisen, die sich bezüglich der Bustechnologie, der Bustopologie und/oder eines verwendeten Protokolls voneinander unterscheiden. Besonders vorteilhaft weist die digitale Datenbusstruktur einen Datenbus auf, welcher Steuergeräte, z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen miteinander vernetzt. Dieser Datenbus weist vorzugsweise eine Ringtopologie auf und/oder er kann auf der Ethernet-Technologie, wie z.B. vom Typ Profinet^® basieren. An diesen Datenbus können weitere Busse der Busstruktur, z.B. ein MVB-Bus (oder Multifunction Vehicle Bus) und/oder ein Zugbus wie ein WTB-Bus (oder Wire Train Bus) oder ETB-Bus (oder Ethernet Train Bus) angeschlossen sein. Die Ausbildung eines Datenbusses als CAN-Bus ist ebenfalls möglich. Unter einer „datentechnischen“ Verbindung soll insbesondere eine physikalische und/oder logische Verbindung verstanden werden, die zur Übertragung von Daten geeignet bzw. programmiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass für Betriebsmittelsubsysteme jeweils eine Schnittstelleneinheit vorgesehen ist, wobei die Verwaltungseinheit dazu vorgesehen ist, in den Betriebsmittelsubsystemen über die jeweilige Schnittstelleneinheit zumindest einen Betriebsvorgang zu veranlassen. Die einem Betriebsmittelsubsystem zugeordnete Schnittstelleneinheit kann dabei vorteilhafterweise in zumindest einem Betriebsmittel des zugeordneten Subsystems integriert sein. Insbesondere kann sie durch eine Software des Subsystems gebildet sein, wobei sie als rein logische Schnittstelleneinheit ausgebildet ist. Um eine einfache Anpassung bestehender Subsysteme zu erreichen ist jedoch vorteilhaft, wenn die Schnittstelleneinheit als physikalische Anschlusseinheit, insbesondere als Adaptereinheit ausgebildet ist, die an zumindest ein Betriebsmittel des Subsystems angeschlossen ist, insbesondere mit diesem mechanisch lösbar gekoppelt ist. Beispielsweise kann diese Anschlusseinheit mit einem bestehenden Port, insbesondere Service-Port, des Subsystems über eine Steckmöglichkeit gekoppelt sein.
Die Schnittstelleneinheit kann vorteilhafterweise mit einer Software versehen sein, die zumindest ein Programm zur Verwaltung einer Datenkommunikation mit der Verwaltungseinheit aufweist. Diese Software ist zweckmäßigerweise konfigurierbar bzw. programmierbar, wobei das Programmieren der Software Gegenstand der sogenannten Projektierungsarbeit ist. Außerdem weist die Verwaltungseinheit zweckmäßigerweise einen Satz von Kommunikationsports auf, die jeweils einer unterschiedlichen, einem Betriebsmittelsubsystem zugeordneten Schnittstelleneinheit zugeordnet sind. Vorzugsweise sind diese Kommunikationsports als logische Ports ausgebildet.
Unter einem „Betriebsmittelsubsystem“ soll zumindest ein Betriebsmittel oder ein Satz von Betriebsmitteln verstanden werden, die einer gemeinsamen Aufgabe im Betrieb des Schienenfahrzeugs zugeordnet sind. Weist ein Betriebsmittelsubsystem mehrere Betriebsmittel auf, sind diese dazu vorgesehen, zumindest diese Aufgabe im Zusammenwirken durchzuführen. Das Betriebsmittelsubsystem umfasst neben den betreffenden Betriebsmitteln zweckmäßigerweise eine lokale Vernetzung der Betriebsmittel miteinander. Typische Betriebsmittelsubsysteme sind als Antriebseinheit, Bremseinrichtung, Türeinrichtung, Klimatisierungseinrichtung, Fahrgastinformationseinrichtung, Notbremseinrichtung usw. ausgebildet.
Unter einem „Veranlassen“ des Betriebsvorgangs in einem Betriebsmittelsubsystem durch die Verwaltungseinheit soll verstanden werden, dass die Verwaltungseinheit den Betriebsvorgang initiiert, welcher von einer lokalen Steuereinheit des Betriebsmittelsubsystems gesteuert wird und/oder dass die Verwaltungseinheit durch eine Fernsteuerung zumindest einen Teil des Betriebsvorgangs selbst durchführt.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Überwachungsmodus der Verwaltungseinheit der Betriebsvorgang das Erfassen eines aktuellen Betriebsmerkmals eines der Betriebsmittelsubsysteme umfasst. Hierdurch kann vorteilhaft in der Verwaltungseinheit eine zentrale Überwachung der Betriebsmittelsubsysteme durchgeführt werden, wodurch die Zuverlässigkeit im Betrieb erhöht werden kann. Durch die Verwaltungseinheit kann in einem Betriebsmittelsubsystem z.B. die Leiteigenschaft einer elektrischen Komponente, ein Schaltzustand eines konventionellen Schalters usw. geprüft werden. Insbesondere kann durch die Verwaltungseinheit eine Überwachung konventioneller Ein- und Ausgabemodule (oder „Input-Output-Module“ oder noch „I/O-Module) erfolgen, die im Betrieb dazu vorgesehen sind, Signale mit einer bestimmten Eigenschaft (z.B. mit bestimmter Spannung, Frequenz oder bestimmtem Strom) zu erzeugen bzw. auszulesen.
Außerdem wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, dass die Verwaltungseinheit im Überwachungsmodus dazu vorgesehen ist, auf der Grundlage des erfassten Betriebsmerkmals und der Schaltdokumentation eine Konfigurationsänderung zu erkennen. Vorteilhaft kann durch die Verwaltungseinheit ein Ist-Zustand von zumindest einer Komponente des überwachten Betriebsmittelsubsystems erfasst werden und mit dem in der Schaltdokumentation dokumentierten Zustand verglichen werden. Hierdurch können vorteilhaft Änderungen in der Konfiguration der Komponente erfasst werden, die aus einer gewollten geänderten Konfiguration des Betriebsmittelsubsystems oder aus einem Fehler entstehen können. Beispielsweise kann besonders zuverlässig und einfach ein Kabelbruch sowie der Einbau einer neuen Komponente im überwachten Betriebsmittelsubsystem erkannt werden. Bei der Erkennung eines Fehlers kann die Verwaltungseinheit automatisch eine entsprechende Diagnosemeldung erzeugen.
Ferner kann eine besonders hohe Zuverlässigkeit durch eine erhöhte Redundanz erreicht werden, wenn die Verwaltungseinheit in zumindest einem Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, für den Betriebsvorgang mehrere Übertragungswege zu ermitteln. Hierbei kann die Verwaltungseinheit, insbesondere auf der Grundlage der Schaltdokumentation zumindest zwei unterschiedliche Übertragungswege ermitteln, über welche ein bestimmtes Betriebsmittelsubsystem bzw. eine bestimmte Komponente dieses Betriebsmittelsubsystems angesprochen werden kann und/oder über welche eine Rückmeldung dieses bzw. dieser an die Verwaltungseinheit erfolgen kann.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Softwareverwaltungsmodus der Verwaltungseinheit der Betriebsvorgang die Verwaltung einer Software des jeweiligen Betriebsmittelsubsystems umfasst. Hierdurch kann eine weitestgehend automatisierte und zentralisierte Softwareverwaltung für die Betriebsmittelsubsysteme erreicht werden. Dadurch kann – gegenüber einer manuellen und lokalen Verwaltung – die Effizienz in der Wartung der Betriebsmittelsubsysteme erzielt werden. Durch die mittels einer über Leitungen des Leitungssatzes erfolgenden Softwareverwaltung gewonnene Flexibilität kann eine differenzierte Behandlung der Betriebsmittelsubsysteme, die besonders strengen Safety-Anforderungen unterliegen, und der Betriebsmittelsubsysteme, die lediglich Security-Anforderungen erfüllen müssen, erreicht werden. Dadurch kann die Flexibilität in der Wartung der letztgenannten Betriebsmittelsubsysteme erheblich erweitert werden, da über den Leitungssatz Betriebsvorgänge möglich sind, für die aufwendige Safety-Nachweisführungen entfallen können. Die Verwaltung einer Software durch die Verwaltungseinheit umfasst insbesondere eine Aktualisierung und/oder eine Programmierung der Software.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Simulationsmodus der Verwaltungseinheit der Betriebsvorgang die Durchführung einer Simulation im jeweiligen Betriebsmittelsubsystem umfasst. Dadurch kann ein Testbetrieb vor Inbetriebnahme des Betriebsmittelsubsystems und/oder ein Wartungsbetrieb des Betriebsmittelsubsystems besonders einfach, insbesondere zentral und zumindest teilweise automatisch durchgeführt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Verwaltungseinheit in einem Datenkontrollmodus dazu vorgesehen ist, für einen bei der Durchführung des Betriebsvorgangs entstandenen Datenfluss ein Kommunikationsprotokoll zu erstellen. Hierdurch kann vorteilhaft durch die Verwaltungseinheit eine zentrale Dokumentation über vorgenommene Betriebsvorgänge erstellt werden. Diese enthält bei vorgenommenen Änderungen vorzugsweise zumindest die Art der Änderung, den Änderungsumfang, den Zeitpunkt der Änderung und kann einen Bedarf an einer durch Dritte zu erstellenden Begutachtung und/oder eine etwaige Gefährdung signalisieren.
Die von der Verwaltungseinheit verwaltete Datenkommunikation kann wie oben beschrieben eine Datenkommunikation über elektrische Leitungen des Leitungssatzes zwischen der Verwaltungseinheit und einem Betriebsmittelsubsystem sein. Hierzu weisen die Verwaltungseinheit und die Betriebsmittelsubsysteme – vorzugsweise deren Schnittstelleneinheiten – jeweils zumindest eine Signaleinheit auf, über welche für die Datenkommunikation ein Datensignal in wenigstens eine elektrische Leitung des Leitungssatzes eingekoppelt wird und/oder aus einer elektrischen Leitung des Leitungssatzes abgegriffen wird. Insbesondere weisen die Signaleinheiten jeweils zumindest eine Modulationseinheit, die zur Einkopplung mittels Modulation und/oder zum Abgreifen des Signals mittels Demodulation vorgesehen ist. Ein (De)Modulationsverfahren kann hierbei vorteilhafterweise ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren sein. Dabei können Verfahren eingesetzt werden, die bezüglich der Einhaltung von Grenzwerten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) im Bahnbereich geeignet sind. Diese Datenkommunikation erfolgt vorzugsweise bei den oben beschriebenen Betriebsmodi, insbesondere Überwachungsmodus, Softwareverwaltungsmodus, Datenkontrollmodus zum Senden von Daten an die Betriebsmittelsubsysteme – beispielseiwese aktualisierte Softwaredaten – und zur Übertragung von Daten, insbesondere von der Verwaltungseinheit abgefragten Daten – beispielweise Daten über ein aktuelles Betriebsmerkmal in einem Betriebsmittelsubsystem – an die Verwaltungseinheit.
Weist das Datenkommunikationssystem wie oben beschrieben eine digitale Datenbusstruktur auf, kann die von der Verwaltungseinheit verwaltete Datenkommunikation ferner eine Datenkommunikation zwischen Betriebsmitteln sein, die teilweise über die digitale Datenbusstruktur und teilweise über elektrische Leitungen des Leitungssatzes erfolgt. Hierdurch kann eine vorteilhafte Buskommunikationsfunktion des Leitungssatzes bereitgestellt werden, durch welche eine Erweiterung der Buskommunikationsfunktion der digitalen Datenbusstruktur auf den Leitungssatz erreicht werden kann. Dabei kann eine vorteilhafte Redundanz in der Buskommunikation erreicht werden. Hierzu weist das Datenkommunikationssystem in einer bevorzugten Ausführungsform einen Satz von Signaleinheiten auf, die jeweils eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit aufweisen und an die digitale Datenbusstruktur und den Leitungssatz angeschlossen sind, wobei die Verwaltungseinheit dazu vorgesehen ist, eine teilweise über die Datenbusstruktur und teilweise über den Leitungssatz erfolgende Datenkommunikation zu verwalten. Hierbei sind die Signaleinheiten zweckmäßigerweise jeweils mit einer Modulationseinheit ausgestattet, die zur Einkopplung mittels Modulation in zumindest eine Leitung des Leitungssatzes und/oder zum Abgreifen eines Signals aus zumindest einer Leitung des Leitungssatzes mittels Demodulation vorgesehen ist. Ein (De)Modulationsverfahren kann hierbei vorteilhafterweise ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren sein. Dabei können Verfahren eingesetzt werden, die bezüglich der Einhaltung von Grenzwerten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) im Bahnbereich geeignet sind.
Die Funktion einer Analog-Digital-Umwandlungseinheit besteht insbesondere darin, ein digitales Signal der Datenbusstruktur als analoges Signal in zumindest eine zugeordnete elektrische Leitung des Leitungssatzes einzukoppeln und/oder ein analoges Signal einer zugeordneten Leitung des Leitungssatzes als digitales Signal in die Datenbusstruktur einzukoppeln.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Schienenfahrzeug Kopplungsmodule aufweist, die jeweils zumindest ein Paar von Signaleinheiten des Satzes von Signaleinheiten und einen Richtungskoppler umfassen, über welchen die Signaleinheiten des Paares mit zumindest zwei elektrischen Leitungen des Leitungssatzes verbunden sind. Hierdurch kann konstruktiv einfach über den Leitungssatz eine mehrkanalige Buskommunikation bereitgestellt werden, wobei die Sicherheitsintegrität (oder „SIL Level“) für diese Buskommunikation vorteilhaft erhöht werden kann. Durch die gewonnene Flexibilität bezüglich der verfügbaren Übertragungswege kann hierbei eine hohe Sicherheitsintegrität, zumindest bis die Stufe SIL 2 erreicht werden. Insbesondere können die Kopplungsmodule mit Hilfe der Richtungskoppler jeweils einen Netzwerkknoten einer vermaschten Netzwerkstruktur bilden, wodurch das Datenkommunikationssystem als „Meshed Network“ darstellbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs, welches einen Satz von Betriebsmitteln, einen Leitungssatz mit elektrischen Leitungen, an welche die Betriebsmittel angeschlossen sind, und ein Datenkommunikationssystem aufweist, durch welches die Betriebsmittel zur Datenkommunikation miteinander vernetzt sind.
Es wird vorgeschlagen, dass eine Datenkommunikation mit den Betriebsmitteln über die elektrischen Leitungen erfolgt und verwaltet wird. Zu den vorteilhaften Wirkungen des vorgeschlagenen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug verwiesen.
Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: ein Schienenfahrzeug mit Betriebsmitteln in einer schematischen Seitenansicht,
2: eine Schaltdokumentation des Schienenfahrzeugs aus 1,
3: eine digitale Datenbusstruktur des Schienenfahrzeugs mit Betriebsmittelsubsystemen,
4: eine Vernetzung von Betriebsmittelsubsystemen mit einer Verwaltungseinheit,
5: die Verwaltungseinheit und ein Betriebsmittelsubsystem in einer Detailansicht,
6: die Überwachung konventioneller Schaltmittel eines Betriebsmittelsubsystems mittels der Verwaltungseinheit,
7: die Ein- und Auskopplung von Signalen der digitalen Datenbusstruktur in bzw. aus elektrischen Leitungen und
8: die Ein- und Auskopplung von Signalen der digitalen Datenbusstruktur in bzw. aus elektrischen Leitungen gemäß einer weiteren Ausführung.
1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. Das Schienenfahrzeug 10 ist als ein Verband von mehreren Wagen 12.1, 12.2 usw. ausgebildet, die miteinander mechanisch gekoppelt sind und eine Zugeinheit bilden. In der betrachteten Ausführung ist das Schienenfahrzeug 10 als sogenannter Triebzug ausgebildet. Hierzu ist zumindest einer der Wagen des Verbands mit einer Antriebseinheit 14 zum Antreiben wenigstens einer Achse 16 versehen. Die Antriebseinheit 14 weist einen Elektromotor (nicht gezeigt) auf. In einer weiteren Ausführung ist denkbar, dass das Schienenfahrzeug 10 als einzelner Triebwagen ausgebildet ist. Außerdem kann das Schienenfahrzeug 10 einen Verband von antriebslosen Reisezugwagen aufweisen, welcher mit zumindest einem Triebfahrzeug, z.B. einer Lokomotive, gekoppelt ist.
Das Schienenfahrzeug 10 weist bekannterweise eine Anzahl von Betriebsmitteln auf, die einen Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 ermöglichen. Diese können insbesondere als Steuereinheit, Sensoreinheit und/oder Aktorikeinheit ausgebildet sein. Die Betriebsmittel, die im Schienenfahrzeug 10 installiert und daher dauerhaft an der Fahrzeugstruktur gebunden sind, sind miteinander mittels eines in 3 näher dargestellten Datenkommunikationssystems 18 kommunikationstechnisch miteinander verbunden.
Die in 1 beispielhaft gezeigten Betriebsmittel 20 sind als Betriebsmittel 20.1 der Antriebseinheit 14, Betriebsmittel 20.2 einer Bremseinrichtung 19, Betriebsmittel 20.3 und 20.4 einer Türeinrichtung, Betriebsmittel 20.5 eines Klimatisierungsaggregats, Betriebsmittel 20.6 eines Fahrgastinformationssystems, Betriebsmittel 20.7, 20.8 und 20.9 einer Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Triebfahrzeugführer, Betriebsmittel 20.10 einer juristischen Aufzeichnungseinrichtung, Betriebsmittel 20.11, 20.12 einer Notbremseinrichtung und Betriebsmittel 20.13 einer Zugsicherung. Weitere, als Steuergeräte ausgebildete Betriebsmittel 20.14 bis 20.17 sind in 3 gezeigt.
Das Schienenfahrzeug 10 weist bekannterweise einen Leitungssatz 22 mit elektrischen Leitungen auf, an welche die Betriebsmittel 20 angeschlossen sind. Ein Teil der elektrischen Leitungen des Leitungssatzes 22 ist Bestandteil des elektrischen Versorgungssystems 24, welches dazu dient, die Betriebsmittel 20 als elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierzu weist das Versorgungssystem 24 dem Leitungssatz 22 gehörende elektrische Leitungen 26 auf, welche die Betriebsmittel 20 mit einer Energieversorgung 28 derart energietechnisch verbinden, dass ein Energiefluss zwischen der Energieversorgung 28 und den einzelnen Betriebsmitteln 20 herstellbar ist. Zum Satz elektrischer Leitungen 26 gehören neben elektrischen Leitern, welche zumindest eine Stromphase führen, insbesondere auch sogenannte Masseleitungen, die ein Referenzpotential – das Erdpotential oder das Fahrzeugpotential – führen. Die in 1 schematisch gezeigte Energieversorgung 28 kann insbesondere einem Spannungszwischenkreis entsprechen, welcher selbst mittels einer nicht näher dargestellten Eingangsschaltung des Schienenfahrzeugs 10 mit Energie aus einer Netzversorgung 30 gespeist wird. Es wird durch zumindest einen Stromrichter des Versorgungssystems 24 aus der Energie des Spannungszwischenkreises ein für den Betrieb der zugeordneten elektrischen Verbraucher angepasstes elektrisches Signal erzeugt, welches mittels elektrischer Leitungen 26 zu diesen geführt wird. Abhängig von den zu versorgenden Verbrauchergruppen führen die Leitungen 26 elektrische Ströme, die unterschiedliche Eigenschaften (Gleichspannung, Wechselspannung, Spannungswert, Frequenzwert, Anzahl der Stromphasen usw.) aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber werden die Leitungen 26 in 1 schematisch dargestellt, wobei auf eine vollständige Darstellung der Vernetzung der Leitungen 26 verzichtet wird.
Ein weiterer Teil des Leitungssatzes 22 gehört außerdem einem Steuersystem 32 auf, welches einen Satz elektrischer Leitungen 34 umfasst. Diese sind als Steuerleitungen ausgebildet, die zur Erledigung von Steueraufgaben mittels analoger Spannungs- und/oder Stromsignalen vorgesehen sind.
Beispielsweise weist das Steuersystem 32 einen Satz elektrischer Leitungen 34.1 auf, die die jeweils als Türantrieb zur Betätigung einer Türöffnung bzw. Türschließung ausgebildeten Betriebsmittel 20.3 miteinander und mit dem als Türsteuergerät ausgebildeten Betriebsmittel 20.4 verbinden. Dieser Satz ist in der fachmännischen Sprache auch „grüne Schleife“ genannt, welche durch Leitungen 34.1 gebildet sind, die sich entlang des gesamten Verbands von Wagen 12 erstrecken.
Außerdem umfasst das Steuersystem 32 einen weiteren Satz elektrischen Leitungen 34.2 auf, welcher der sogenannten „Totmannüberwachung“ des Schienenfahrzeugs 10 zugeordnet ist. Durch diese sind bekannterweise das als Taster ausgebildetes Betriebsmittel 20.7, das mit Timern ausgestattete, als Überwachungseinheit ausgebildete Betriebsmittel 20.8 und das als Aufzeichnungsgerät ausgebildetes Betriebsmittel 20.10 der Aufzeichnungseinrichtung miteinander verbunden.
Ferner sind weitere elektrische Leitungen 34.3 des Steuersystems 32 dargestellt, welche der Notbremsfunktion des Schienenfahrzeugs 10 zugeordnet sind. Diese verbinden in der Form einer Schleife die als Notbremsbetätigung ausgebildeten, in jedem Wagen 12 angeordneten Betriebsmittel 20.11 mit einem als Steuergerät ausgebildeten Betriebsmittel 20.12. Die elektrischen Leitungen 34.3 führen bekannterweise eine konstante Gleichspannung. Außerdem steht das Steuergerät mit einem als Notbremsüberbrückungseinheit ausgebildeten Betriebsmittel 20.9 der Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Triebfahrzeugführer in Wirkverbindung. Die oben beschriebenen Sätze von elektrischen Leitungen 34.1, 34.2 und 34.3 sind in der fachmännischen Sprache auch „Sicherheitsschleifen“ genannt.
Sätze von elektrischen Leitungen 26 des elektrischen Versorgungssystems 24 und Sätze von elektrischen Leitungen 34.1, 34.2, 34.3 des Steuersystems 32 bilden den Leitungssatz 22.
Die Verschaltung der Betriebsmittel 20 mittels des Leitungssatzes 22 ist im sogenannten Betriebsmittelverzeichnis 36 des Schienenfahrzeugs 10 dokumentiert. Hierzu weist das Schienenfahrzeug 10 eine Speichereinheit 38 auf, in welcher dieses gespeichert ist. Eine beispielhafte Ausführung des Betriebsmittelverzeichnisses 36 ist in 2 gezeigt. Es ist als Liste ausgebildet, die folgende, in den Spalten ausgeführte Parameter aufweist: Betriebsmittelsubsystem (I), Ort (II), Betriebsmittel (III), Funktion (IV) und Anschlussbezeichnung (V). Ein „Betriebsmittelsubsystem“ – im Folgenden Text auch Subsystem genannt – bezeichnet jeweils einen Verbund von Betriebsmitteln 20, die gemäß einer zugeordneten Funktionalität unter diesen Begriff zusammengefasst sind. Beispiele für Subsysteme sind „Türen“, „Bremse“, „Klimatisierung“, „Zugsicherung“, „Fahrgastinformationssystem“ usw. Bei der Anschlussbezeichnung (V) handelt es sich um die technische Beschreibung des Anschlusses des jeweiligen Betriebsmittels an den Leitungssatz 22, d.h. insbesondere die Bezeichnung einer bestimmten elektrischen Leitung 26 oder 34 und eine Eingabe die Signalart betreffend. Im betrachteten Beispiel handelt es sich um das im Wagen 12.1 angeordnete Betriebsmittel 20.1 des Subsystems “Antriebseinheit 14“. Das Betriebsmittel 20.1 ist insbesondere als Antriebssteuergerät ausgebildet und wird mit einer Spannung mit Wert „V_x“ beaufschlagt. Es sind weitere Parameter als Einträge des Betriebsmittelverzeichnisses denkbar. Es kann insbesondere ein bestimmter Einbauplatz durch Kodierungsmittel kodiert sein, wobei die Liste die entsprechenden Einbauplatzcodes aufweist.
In der Speichereinheit 38 können zusätzlich zum Betriebsmittelverzeichnis 36 ein Schaltplan (auch „Netlist“ genannt) und/oder zumindest eine weitere Dokumentationsdatei in der Form einer Library gespeichert sein. Das Betriebsmittelverzeichnis 36, ggf. zusammen mit dem Schaltplan und/oder der weitere Dokumentationsdatei bildet die Schaltdokumentation 40 des Schienenfahrzeugs 10. Der Leitungssatz 22 gehört in der fachmännischen Sprache auch zur sogenannten „konventionellen Schalttechnik“, um sie von der unten beschriebenen digitalen Leittechnik zu unterscheiden.
Das Datenkommunikationssystem 18 ist in 3 schematisch dargestellt. Die gezeigte Struktur ist beispielhaft und es können weitere Topologien eingesetzt werden. Das Datenkommunikationssystem 18 weist eine Datenbusstruktur 42 auf, die zur Übertragung von Daten in der Form von Digitalsignalen vorgesehen ist, und durch welche die Betriebsmittel 20 miteinander vernetzt sind. Die Datenbusstruktur 42 weist zumindest einen Ring 44 auf, welcher jeweils als Steuergerät ausgebildete Betriebsmittel 20.14 bis 20.17 verbindet. Diese Betriebsmittel sind jeweils als speicherprogrammierbare Steuerungen ausgebildet, wie z.B. vom Typ Simatic^®. Der Ring 44 ist insbesondere ein Ethernet-Ring, beispielsweise des Typs Profinet^®.
An diesen Ring 44 sind Subsysteme 46.1, 46.2 angeschlossen, die selbst über einen Bus 50 der Datenbusstruktur 42 miteinander vernetzt sind. Der Bus 50 kann z.B. dem bekannten MVB-Bus entsprechen. An den Ring 44 kann ferner ein sich entlang des gesamten Verbands von Wagen erstreckender Zugbus 52, wie z.B. ein WTB-Bus angeschlossen sein.
Die Steuerung bestimmter Subsysteme 46, wie insbesondere die Antriebseinheit 14 und die Bremseinrichtung 19, unterliegen besonders strengen, auf den Personenschutz bezogenen Sicherheitsanforderungen, die unter dem Begriff „Safety“ zusammengefasst werden. Diese Subsysteme sind an die Datenbusstruktur 42 angeschlossen, sodass eine Datenkommunikation, die über diese Datenbusstruktur 42 erfolgt, ebenfalls diesen Anforderungen unterliegt.
Das Datenkommunikationssystem 18 weist ferner eine Verwaltungseinheit 54 auf, die dazu vorgesehen ist, auf der Basis der Schaltdokumentation 40 des Leitungssatzes 22 eine Datenkommunikation über dessen Leitungen 26 und 34 zu verwalten. Diese ist in 4 schematisch dargestellt. Die Zeichnung zeigt einen Satz von Subsystemen 46 sowie die Datenbusstruktur 42 des Datenkommunikationssystems 18 mit den verschiedenen Bussen 44, 50, 52 und die elektrischen Leitungen 26, 34 des Leitungssatzes 22. Ein Subsystem 46.6 weist ein Schaltmodul 56 auf, welches mit einer Sensorik, einer Aktorik und einer Steuereinheit ausgestattet ist. Der Betrieb der Steuereinheit erfolgt auf der Basis einer in einer Speichereinheit 57 des Subsystems 46.6 gespeicherten Software (beispielsweise eine proprietäre Firmware), die regelmäßig zu aktualisieren ist. Während die Subsysteme 46.1 bis 46.5 an einem Datenverkehr primär mittels der Datenbusstruktur 42 des Datenkommunikationssystems 18 teilnehmen, ist das Schaltmodul 56 nicht direkt an die Datenbusstruktur 42 angeschlossen. Das Schaltmodul 56 befindet sich in einer Schleife, die von einer elektrischen Leitung 34 des Steuersystems 32 gebildet ist.
Wie unten näher erläutert ist die Verwaltungseinheit 54 dazu vorgesehen, einen über die elektrischen Leitungen des Leitungssatzes 22, im betrachteten Beispiel des Schaltmoduls 56 die Leitungen 34 des Steuersystems 32 erfolgenden Datenverkehr zu verwalten, an welchem das Schaltmodul 56 teilnimmt. Die Verwaltungseinheit 54 ist insbesondere dazu programmiert, das Schaltmodul 56 und dessen Umgebung, insbesondere den gezeigten Abschnitt der elektrischen Leitungen 34 zu überwachen. Beispielsweise können – wie mittels der gestrichelten Pfeile exemplarisch dargestellt – ein Betriebszustand des Schaltmoduls 56 und ein Kabelbruch in der gezeigten Umgebung erfasst werden und es können Maßnahmen getroffen werden, damit eine Datenverbindung zu dem Schaltmodul 56 nicht unterbrochen wird. Diese Überwachungsfunktion der Verwaltungseinheit 54 findet auch für die weiteren Subsysteme 46 Anwendung, wie durch die weiteren Pfeile angedeutet.
5 zeigt eines der Subsysteme 46 und die Verwaltungseinheit 54 in einer schematischen Prinzipdarstellung. Beispielsweise wird das Subsystem 46.6 der 4 betrachtet. Dem Subsystem 46.6 ist eine Schnittstelleneinheit 58 zugeordnet, durch welche eine Datenkommunikation über die Leitungen 26 bzw. 34 des Leitungssatzes 22 erfolgen kann. Die Schnittstelleneinheit 58 ist in der Form eines Adapters ausgebildet, welcher an einen vorhandenen Anschluss 60 – z.B. eine Steckmöglichkeit – des Subsystems 46.6 angeschlossen ist. Insbesondere entspricht der Anschluss 60 einem vorhandenen, herkömmlicherweise zum Anschluss eines externen Service-Geräts vorgesehenen Port des Subsystems 46.6. Die Schnittstelleneinheit 58 kann abhängig vom Hersteller des jeweiligen Subsystems 46 unterschiedlich ausgestaltet sein.
Die gegenüber dem Satz von Subsystemen 46 zentrale Verwaltungseinheit 54 ist dazu vorgesehen, über die jeweiligen Schnittstelleneinheiten 58 Betriebsvorgänge im entsprechenden Subsystem 46 vorzunehmen, die weiter unten näher beschrieben sind. Zur physikalischen Anbindung der Verwaltungseinheit 54 an die Leitungen 26, 34, weist diese eine Signaleinheit 62 auf, die dazu vorgesehen ist, Signale in die Leitungen 26, 34 mittels Modulation einzukoppeln bzw. Signale aus diesen Leitungen abzugreifen. Dementsprechend sind die Schnittstelleneinheiten 58 jeweils mit einer Signaleinheit 62 versehen. Zur logischen Verbindung der Verwaltungseinheit 54 mit den verschiedenen Subsystemen 46 werden logische Kommunikationsports 64 bereitgestellt, wobei ein Kommunikationsport einem gesamten Subsystem 46, einer bestimmten Untergruppe von Betriebsmitteln 20 oder einem bestimmten Betriebsmittel 20 des jeweiligen Subsystems 46 zugeordnet ist. Eine Untergruppe von Betriebsmitteln 20 kann insbesondere einem Satz von I/O-Modulen entsprechen, wie in 6 beispielhaft betrachtet.
Die Verwaltungseinheit 54 weist ferner einen Busanschluss 66 auf, mittels dessen eine Datenverbindung mit der Datenbusstruktur 42 des Datenkommunikationssystems 18 herstellbar ist. Dadurch ist die Verwaltungseinheit 54 sowohl mit dem Leitungssatz 22 als auch mit der Busstruktur 42 datentechnisch verbunden.
Die Verwaltungseinheit 54 weist einen Softwareverwaltungsmodus auf, in welchem sie dazu dient, die im jeweiligen Subsystem 46 vorhandene Software, z.B. eine proprietäre Firmware, zu installieren, zu programmieren und/oder zu aktualisieren. Im Falle des in 5 gezeigten Subsystems 46.6 kann im Softwareverwaltungsmodus der Verwaltungseinheit 54 eine Änderung der in der Speichereinheit 57 vorhandenen Software erfolgen. Die Verwaltungseinheit 54 bildet eine zentrale Schnittstelle, über welche eine Softwareänderung in mehreren Subsystemen 46 möglich ist. Insbesondere kann diese Softwareänderung automatisch erfolgen. Hierdurch kann eine herkömmlicherweise an jedem Subsystem 46 vorgenommene, manuelle und über eine separate Drahtverbindung erfolgende Softwareänderung entfallen. Die Softwareänderung kann über die Leitungen 26 bzw. 34 des Leitungssatzes 22 in einer Umgebung erfolgen, die den vorgeschriebenen Security-Anforderungen erfüllt. Insbesondere erfolgt sie getrennt von der Datenbusstruktur 42, sodass Einflüsse dieser Vorgänge auf Safety-relevante Aspekte der Datenkommunikation im Datenkommunikationssystem 18 vermieden werden können. Eine getrennte Behandlung von Safety- bzw. Security-relevanten Subsystemen kann demnach erreicht werden.
Die Verwaltungseinheit 54 bildet im Datenkommunikationssystem 18 eine zentrale Intelligenz, welche auf dem Zugriff auf die in der Speichereinheit 38 gespeicherte Schaltdokumentation 40 des Schienenfahrzeugs 10 basiert. Wie oben bereits erörtert kann über die Schaltdokumentation 40 Kenntnis über die Schalteigenschaften der Subsysteme 46 bzw. von deren Betriebsmittel 20, wie insbesondere über den Einbauort eines Betriebsmittels 20, über die an dieses angeschlossenen Leitungen 26, 34 sowie über den Strom, die Spannung und/oder die Frequenz des Signals erlangt werden, mit welchem dieses Betriebsmittel beaufschlagt wird. Zur Durchführung der beschriebenen Betriebsvorgänge über die jeweilige Schnittstelleneinheit 58 wird die Schaltdokumentation 40 durch ein in einer Speichereinheit 68 gespeichertes Programm der Verwaltungseinheit 54 derart verarbeitet, dass aus den verarbeiteten Daten Steuerbefehle eines Steuerprogramms der Verwaltungseinheit 54 zur Steuerung von Betriebsvorgängen in den Subsystemen 46 generiert werden. Das Programm zur Verarbeitung der Daten der Schaltdokumentation 40 weist demnach die Funktion eines Parsers auf.
Eine wesentliche Funktion der Verwaltungseinheit 54 ist die Überwachung der konventionellen Schalttechnik, welche den Leitungssatz 22 umfasst. Hierzu weist sie einen Überwachungsmodus auf, in welchem sie als Betriebsvorgang im jeweiligen Subsystem 46 ein aktuelles Betriebsmerkmal erfasst. Die Art und Anzahl der erfassten Betriebsmerkmale hängt vom jeweiligen Subsystem ab. Typischerweise können folgende Betriebsmerkmale in einem Subsystem 46 erfasst werden: bezogen auf eine elektrische Leitung 26 bzw. 34 ein Strom, eine Spannung, eine Frequenz, eine Leitfähigkeit bzw. ein Widerstand z.B. zur Erkennung eines Leitungsbruchs, auf ein Schaltmittel bezogen der momentane Schaltzustand usw.
Die Verwaltungseinheit 54 ist in deren Überwachungsmodus dazu vorgesehen, den durch einen oder mehrere dieser Erfassungsvorgänge in einem Subsystem 46 erfassten aktuellen Ist-Zustand des Subsystems 46 mit dem in der Schaltdokumentation 40 beschriebenen, theoretischen Zustand des Subsystems 46 zu vergleichen. Durch diesen auf der Grundlage des erfassten Betriebsmerkmals bzw. der erfassten Betriebsmerkmale und der Schaltdokumentation 40 erfolgenden Vergleich ist die Verwaltungseinheit 54 in der Lage, eine Konfigurationsänderung in der Verschaltung der Betriebsmittel 20 des Schienenfahrzeugs 10 zu erkennen.
Diese Konfigurationsänderung kann sich aus einer gewollten Maßnahme ergeben, die beispielsweise dem Ausbau bzw. Einbau eines Betriebsmittels 20 entspricht. Durch diese Funktionalität kann besonders vorteilhaft ein automatisierter Autokonfigurationsmodus zur Verwaltung des Satzes von Betriebsmitteln 20 bereitgestellt werden.
Eine Konfigurationsänderung kann des Weiteren durch einen Fehler entstehen, wie z.B. durch einen zumindest teilweisen Ausfall eines Betriebsmittels 20 oder durch einen Kabelriss. Um gegenüber solchen Fehlern eine vorteilhafte Redundanz in der Kommunikation mit den Subsystemen 46 zu erreichen, kann im Zusammenhang mit einem in einem Subsystem 46 durchzuführenden Betriebsvorgang durch die Verwaltungseinheit 54 die Ermittlung mehrerer Übertragungswege zum jeweiligen Subsystem 46 erfolgen, über welche Daten zur Durchführung des Betriebsvorgangs übermittelt werden können. Diese Ermittlung erfolgt insbesondere auf der Basis der Schaltdokumentation 40.
Als weiterer Betriebsvorgang, der von der Verwaltungseinheit 54 in einem Subsystem 46 durchgeführt werden kann, ist in einem Simulationsmodus der Verwaltungseinheit 54 die Durchführung einer Simulation im jeweiligen Subsystem 46. Die Verwaltungseinheit 54 ist dabei in der Lage, das jeweilige Subsystem in dessen Simulationsmodus zu versetzen, was herkömmlicherweise durch den direkten Anschluss einer speziellen Hardware, wie insbesondere eines Service-Geräts, die mit einem Simulationsprogramm ausgestattet ist, erfolgt. Hierdurch kann ein am jeweiligen Subsystem 46 vorgenommener, manueller und über eine separate Drahtverbindung erfolgender Simulationsvorgang entfallen. Die Simulation kann in einer Umgebung erfolgen, die die vorgeschriebenen Security-Anforderungen erfüllt. Außerdem erfolgt sie getrennt von der Busstruktur 42, sodass Einflüsse dieser Vorgänge auf Safety-relevante Aspekte der Datenkommunikation im Datenkommunikationssystem 18 vermieden werden können. Eine getrennte Behandlung von Safety- bzw. Security-relevanten Subsystemen kann demnach erreicht werden.
6 zeigt einen Teil des Subsystems 46.6. Dieses weist das Schaltmodul 56, welches Schaltmittel S_x und zugeordnete I/O-Module 71.1 bis 71.m umfasst, auf. Diese sind zum Einkoppeln und Auslesen von Signalen in die bzw. aus den als Steuerleitungen ausgebildeten Leitungen 34 des Steuersystems 32 vorgesehen. Die I/O-Module 71.1 bis 71.m werden von einem konventionellen Steuermodul 73 gesteuert, dessen Betrieb von der Verwaltungseinheit 54 über die durch den Doppelpfeil schematisch dargestellte Schnittstelleneinheit 58 gesteuert werden kann. Im Überwachungsmodus der Verwaltungseinheit 54 erfasst diese ein Betriebsmerkmal des Schaltmoduls 56, beispielsweise den aktuellen Schaltzustand eines bestimmten Schaltmittels S_x. Hierdurch kann sie das entsprechende I/O-Modul 71 steuern. Im Simulationsmodus kann von der Verwaltungseinheit 54 ein Testbetrieb des Schaltmoduls 56 veranlasst werden. Ist dieses selbst mit einem Simulationsmodus programmiert, kann die Verwaltungseinheit 54 das Schaltmodul 56 in dessen Simulationsmodus versetzen. Die im Überwachungsmodus und Simulationsmodus von den I/O-Modulen erfassten Signale werden an die Verwaltungseinheit 54 übermittelt, welche diese Signale zur Auswertung weiter verarbeitet. In dieser Auswertung kann wie oben beschrieben eine Konfigurationsänderung, wie z.B. ein Einbau bzw. ein Ersatz einer bestimmten Komponente oder ein Fehler ermittelt werden, und/oder es kann zu Kontrollzwecken ein Nachweisprotokoll über den Betriebszustand des Subsystems 46.6 erstellt werden.
Bei den oben beschriebenen Betriebsvorgängen, die von der Verwaltungseinheit 54 initiiert werden, entsteht ein Datenverkehr, an welchem die betreffenden Betriebsmittel 20 des Subsystems 46 teilnehmen. Die Verwaltungseinheit 54 weist einen Datenkontrollmodus auf, in welchem sie einen bei der Durchführung des Betriebsvorgangs entstandenen Datenfluss kontrolliert. Ein Kontrollvorgang umfasst insbesondere die Bildung und die Prüfung einer Prüfsumme, wie z.B. einer Prüfsumme gemäß CRC. Zu Kontrollzwecken sind jedoch auch weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Konsistenzprüfungen möglich.
Ein Kontrollvorgang umfasst des Weiteren das Erstellen eines Kommunikationsprotokolls, welches zu einer späteren Auswertung, insbesondere zu Nachweiszwecken in einer Speichereinheit 70 abgelegt wird (siehe 5). Das Erstellen des Protokolls erfolgt ebenfalls auf der Grundlage der Schaltdokumentation 40. Insbesondere kann protokolliert werden, über welchen Übertragungsweg zu bzw. von welchem Betriebsmittel mit welchen Signaleigenschaften und über welche Zeitspanne ein Datensatz übermittelt worden ist.
Die oben beschriebenen Betriebsmodi der Verwaltungseinheit 54 entsprechen Programmmodulen, die in der Speichereinheit 68 gespeichert sind und von einer Steuereinheit 72 ausgeführt werden. Diese weist zumindest eine Prozessoreinheit auf. Besonders vorteilhaft kann die Steuereinheit 72 mit zumindest zwei Prozessoreinheiten versehen sein, die zueinander redundant ausgeführt sind. Insbesondere kann eine diversitäre Redundanz dadurch erreicht werden, dass die Prozessoreinheiten Vorgänge der Verwaltungseinheit auf der Basis unterschiedlicher Algorithmen ausführen.
In den oben beschriebenen Betriebsmodi der Verwaltungseinheit 4 erfolgt eine Datenübertragung über elektrische Leitungen des Leitungssatzes 22 zwischen dieser und einem Betriebsmittelsubsystem 46. Beispielsweise werden von der Verwaltungseinheit 54 Softwareänderungsdaten an ein bestimmtes Betriebsmittelsubsystem 46 über elektrische Leitungen des Leitungssatzes 22 übertragen und Daten zu einem erfassten Betriebsmerkmal in einem Betriebsmittelsubsystem 46 werden an die Verwaltungseinheit 54 über elektrische Leitungen des Leitungssatzes 22 übertragen.
Diese elektrischen Leitungen können ferner zur Erweiterung der Buskommunikationsfunktion der digitalen Datenbusstruktur dienen. 7 zeigt schematisch die Einkopplung eines Datensignals in eine elektrische Verbindung des Leitungssatzes 22 sowie die Auskopplung aus dieser. Zur Einkopplung ist eine Signaleinheit 74 vorgesehen. Ein Eingang 74.i der Signaleinheit 74 ist mit der Datenbusstruktur 42 des Datenkommunikationssystems 18 datentechnisch verbunden. Über diesen Eingang 74.i werden Signale in digitaler Form aus der Datenbusstruktur 42 empfangen. Die Signaleinheit 74 weist eine Digital-Analog-Umwandlungseinheit 76 auf, welche diese Signale in ein elektrisches Signal analoger Form umwandelt. Dieses Signal wird auf einen Signalverstärker 78 und anschließend auf ein Anpassungsnetzwerk 80 gegeben. Der Ausgang des Anpassungsnetzwerks 80, welches mit einem Ausgang 74.o der Signaleinheit 74 direkt verbunden ist, ist mit einer elektrischen Verbindung, z.B. einer elektrischen Verbindung 26 des Leitungssatzes 22 verbunden.
Das in analoger Form über die elektrische Verbindung 26 übertragene Signal kann mittels einer Signaleinheit 74‘ von der elektrischen Verbindung 26 abgegriffen werden, um wieder in digitaler Form umgewandelt zu werden. Hierzu weist die Signaleinheit 74‘ ein mit einem Eingang 74‘.i der Signaleinheit 74‘ direkt verbundenes Anpassungsnetzwerk 80‘, einen Signalverstärker 78‘ und eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit 76‘ auf, die mit einem mit der Datenbusstruktur 42 datentechnisch verbunden Ausgang 74‘.o der Signaleinheit 74‘ direkt verbunden ist.
Das Datenkommunikationssystem 18 ist mit einem Satz von Signaleinheiten 74, 74‘ versehen, die an geeigneten Stellen im Schienenfahrzeug 10 angeordnet sind und jeweils eine Schnittstelle zwischen der digitalen Datenbusstruktur 42 und dem Leitungssatz 22 bilden. Durch diese Kommunikationsarchitektur kann eine teilweise über die Datenbusstruktur 42 und teilweise über den Leitungssatz 22 erfolgende Datenkommunikation erfolgen und von der Verwaltungseinheit 54 – insbesondere auf der Grundlage der Schaltdokumentation 40 – verwaltet werden.
8 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführung einer Kommunikationsstruktur über die elektrischen Leitungen des Leitungssatzes 22, bei welcher eine Sicherheitsintegrität SIL 2 erreicht werden kann. Es werden zumindest zwei Kommunikationskanäle über zwei elektrische Leitungen, z.B. Leitungen 26.1 und 26.2 des Leitungssatzes 22 hergestellt. Diese Leitungen 26.1, 26.2 sind beide an einem Paar von Signaleinheiten 74.1, 74.2 gemäß 7 angekoppelt. Die Signaleinheiten 74.1, 74.2 dienen jeweils zur Einkopplung und zum Abgreifen von Signalen in die bzw. aus den elektrischen Leitungen 26.1, 26.2, d.h. sie vereinigen die Funktionen der in 7 dargestellten Signaleinheiten 74 und 74‘.
Die Signaleinheiten 74.1, 74.2 eines Paares sind mittels eines Richtungskopplers 82 miteinander verbunden, wobei die Ankopplung der elektrischen Leitungen 26.1, 26.2 an die Signaleinheiten 74.1, 74.2 über den Richtungskoppler 82 erfolgt. Der Richtungskoppler 82 weist eine Übertragungsschleife 84 mit Ankopplungspunkten jeweils für jede elektrische Leitung 26.1, 26.2 und jede Signaleinheit 74.1, 74.2 auf, wobei sich jeweils ein Ankopplungspunkt für eine Leitung 26.1 bzw. 26.2 und ein Ankopplungspunkt für eine Signaleinheit 74.1 bzw. 74.2 abwechseln. Zwischen den Ankopplungspunkten sind Mittel 86 angeordnet, die eine Signalübertragung richtungsabhängig zulassen. Ein von einer elektrischen Leitung 26.1 bzw. 26.2 stammender Datenverkehr kann wahlweise zur einen Signaleinheit 74.1 oder zur anderen Signaleinheit 74.2 geleitet werden und ein von einer Signaleinheit 74.1 bzw. 74.2 stammender Datenverkehr kann wahlweise zur einen elektrischen Leitung 26.1 oder zur anderen elektrischen Leitung 26.2 geleitet werden. Hierzu können redundante Übertragungswege bereitgestellt werden, insbesondere hinsichtlich eines möglichen Kabelrisses im Leitungssatz 22 und/oder in der Busstruktur 42. Wie durch die gestrichelten Linien angedeutet kann die Kommunikationsstruktur zu einer vierkanaligen Struktur ausgebaut werden, indem zwei weitere elektrische Leitungen 26.3, 26.4 an den Richtungskoppler 82 angekoppelt werden.
Ein Richtungskoppler 82 und die mit ihm verbundenen Signaleinheiten 74.1, 74.2 bilden ein Kopplungsmodul 88, welches mit den zumindest zwei Leitungen 26.1, 26.2 des Leitungssatzes gekoppelt ist. Es sind im Datenkommunikationssystem 18 mehrere Kopplungsmodule 88 vorgesehen. Durch die Flexibilität in der Bereitstellung von Kommunikationskanälen kann eine Struktur des Datenkommunikationssystems 18 bereitgestellt werden, die als vermaschte Netzwerkstruktur betrieben werden kann, wobei die Kopplungsmodule 88 jeweils einen Knoten der vermaschten Struktur bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 50128 [0004]
50159 [0004]
50126 [0004]
50129 [0004]
EN 50128 [0007]
50159 [0007]
50126 [0007]
50129 [0007]

Claims

Schienenfahrzeug mit einem Satz von Betriebsmitteln (20), einem Leitungssatz (22) umfassend elektrische Leitungen (26, 34), an welche die Betriebsmittel (20) angeschlossen sind, und einem Datenkommunikationssystem (18), durch welches die Betriebsmittel (20) zur Datenkommunikation miteinander vernetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenkommunikationssystem (18) zumindest eine Verwaltungseinheit (54) aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine über elektrische Leitungen (26, 34) des Leitungssatzes (22) erfolgende Datenkommunikation mit den Betriebsmitteln (20) zu verwalten.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwaltungseinheit (54) dazu vorgesehen ist, einen Verwaltungsvorgang auf der Basis einer dem Leitungssatz (22) zugeordneten Schaltdokumentation (40) durchzuführen.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leitungen (26) des Leitungssatzes (22) zur Versorgung von Betriebsmitteln (20) mit elektrischer Energie dient.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Leitungen (34) des Leitungssatzes (22) Steuerleitungen (34) bildet.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenkommunikationssystem (18) eine digitale Datenbusstruktur (42) aufweist, wobei die Verwaltungseinheit (54) mit dem Leitungssatz (22) und der Datenbusstruktur (42) datentechnisch verbunden ist.
Schienenfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Betriebsmittelsubsysteme (46) jeweils eine Schnittstelleneinheit (58) vorgesehen ist, wobei die Verwaltungseinheit (54) dazu vorgesehen ist, in den Betriebsmittelsubsystemen (46) über die jeweilige Schnittstelleneinheit (58) zumindest einen Betriebsvorgang zu veranlassen.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Überwachungsmodus der Verwaltungseinheit (54) der Betriebsvorgang das Erfassen eines aktuellen Betriebsmerkmals eines der Betriebsmittelsubsysteme (46) umfasst.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwaltungseinheit (54) im Überwachungsmodus dazu vorgesehen ist, auf der Grundlage des erfassten Betriebsmerkmals und der Schaltdokumentation (40) eine Konfigurationsänderung zu erkennen.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwaltungseinheit (54) in zumindest einem Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, für den Betriebsvorgang mehrere Übertragungswege zu ermitteln.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Softwareverwaltungsmodus der Verwaltungseinheit (54) der Betriebsvorgang die Verwaltung einer Software des jeweiligen Betriebsmittelsubsystems (46) umfasst.
Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwaltungseinheit (54) in einem Datenkontrollmodus dazu vorgesehen ist, für einen bei der Durchführung des Betriebsvorgangs entstandenen Datenfluss ein Kommunikationsprotokoll zu erstellen.
Schienenfahrzeug zumindest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenkommunikationssystem (18) einen Satz von Signaleinheiten (74, 74‘; 74.1, 74.2) aufweist, die jeweils eine Analog-Digital-Umwandlungseinheit (76, 76‘) aufweisen und an die digitale Datenbusstruktur (42) und den Leitungssatz (22) angeschlossen sind, wobei die Verwaltungseinheit (54) dazu vorgesehen ist, eine teilweise über die Datenbusstruktur (42) und teilweise über den Leitungssatz (22) erfolgende Datenkommunikation zu verwalten.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Kopplungsmodule (88), die jeweils zumindest ein Paar von Signaleinheiten (74.1, 74.2) und einen Richtungskoppler (82) umfassen, über welchen die Signaleinheiten (74.1, 74.2) mit zumindest zwei elektrischen Leitungen (26.1, 26.2) des Leitungssatzes (22) verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs (10), welches einen Satz von Betriebsmitteln (20), einen Leitungssatz (22) mit elektrischen Leitungen (26, 34), an welche die Betriebsmittel (20) angeschlossen sind, und ein Datenkommunikationssystem (18) aufweist, durch welches die Betriebsmittel (20) zur Datenkommunikation miteinander vernetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenkommunikation mit den Betriebsmitteln (20) über die elektrischen Leitungen (26, 34) erfolgt und verwaltet wird.