DE102015211587A1

DE102015211587A1 - Steueranordnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015211587A1
Application number: DE102015211587.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-29
Also published as: EP3286060A1; CN107787464A; US20180170412A1; WO2016206901A1; RU186187U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug (10), mit einem leittechnischen System (22), welches zumindest eine zentrale Steuereinheit (26), einen Satz von dezentralen Subsystemsteuerungen (28) und ein Steuernetzwerk (24) aufweist, an welches die Steuereinheit (26) und die Subsystemsteuerungen (28) angeschlossen sind. Um eine Steueranordnung bereitzustellen, welche hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt, wird vorgeschlagen, dass die Steueranordnung ein von der Steuereinheit (26) unterschiedliches leittechnisches Modul (42), das an das Steuernetzwerk (24) angeschlossen ist, und eine vom Steuernetzwerk (24) unterschiedliche Datenanschlusseinheit (44) aufweist, durch welche das leittechnische Modul (42) mit den Subsystemsteuerungen (28) datentechnisch verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steueranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem leittechnischen System, welches zumindest eine zentrale Steuereinheit, einen Satz von dezentralen Subsystemsteuerungen und ein Steuernetzwerk aufweist, an welches die Steuereinheit und die Subsystemsteuerungen angeschlossen sind.
Es sind Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, mit einem leittechnischen System bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steueranordnung bereitzustellen, welche hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Steueranordnung ein von der Steuereinheit unterschiedliches leittechnisches Modul, das an das Steuernetzwerk angeschlossen ist, und eine vom Steuernetzwerk unterschiedliche Datenanschlusseinheit aufweist, durch welche das leittechnische Modul mit den Subsystemsteuerungen datentechnisch verbunden ist. Dadurch kann eine Steueranordnung bereit gestellt werden, welche einen hohen Redundanzgrad aufweist. Besonders vorteilhaft kann eine bestehende Steueranordnung des Fahrzeugs dahingehend verbessert werden, dass die das leittechnische System und die dieses ergänzenden, von dem Modul und der Datenanschlusseinheit gebildeten Komponenten umfassende Steueranordnung hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt. Dies ist – insbesondere im Bereich des Schienenfahrzeugbetriebs – im Hinblick auf aufwendige Zulassungsverfahren von Vorteil, da eine Erhöhung des Sicherheitsniveaus möglich ist, durch welche bei der Zulassung der Steueranordnung aufwendige Nachweisführungen für das bestehende leittechnische System vermieden werden können. Unter dem Begriff „Sicherheit“ soll in diesem Text insbesondere eine Sicherheit bezüglich des Personenschutzes verstanden werden. In der englischen Fachsprache wird diese Art der Sicherheit mit dem Begriff „Safety“ bezeichnet. Insbesondere kann – im Bereich des Schienenfahrzeugbetriebs – unter „Sicherheit“ eine Sicherheit im Sinne von Normen zur funktionalen Sicherheit in der Eisenbahnindustrie, z.B. im Sinne der Normen EN 50126, 50128, 50129 und/oder 50159 verstanden werden. Unter einem „Sicherheitsniveau“ kann insbesondere ein Sicherheits-Integritätslevel (auch unter der Abkürzung „SIL“ bekannt) verstanden werden. Insbesondere ist mit der vorgeschlagenen Steueranordnung möglich, ein leittechnisches System mit Sicherheitsniveau SIL 0 oder SIL 1 derart zu ergänzen, dass die sich ergebende Steueranordnung zumindest ein Sicherheitsniveau SIL 2 aufweist.
Das leittechnische System ist bevorzugt zur Steuerung von Fahrzeuggrundfunktionen vorgesehen. Zu diesen Fahrzeuggrundfunktionen gehören insbesondere ein Fahrbetrieb mit Antriebs-Roll- und Bremsphasen, eine Steuerung der Fahrzeugtüren und eine Mensch-Maschine-Kommunikation für den Fahrzeugführer.
Ein Betriebsmittelsubsystem – in diesem Text auch „Subsystem“ genannt – bezeichnet jeweils ein Betriebsmittel mit einer zugeordneten Funktionalität oder einen Verbund von Betriebsmitteln, die gemäß einer zugeordneten Funktionalität unter diesen Begriff zusammengefasst sind. Beispiele für Subsysteme sind „Türen“, „Bremse“, „Klimatisierung“, „Zugsicherung“, „Fahrgastinformationssystem“. Die Subsystemsteuerungen können dabei als Antriebssteuerung, Bremssteuerung, Steuerung des Fahrzeugtürsystems, Steuerung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle für eine Eingabe von Informationen durch den Fahrzeugführer und/oder eine Ausgabe von Informationen an den Fahrzeugführer, Steuerung einer Fahrzeugsicherung ausgebildet sein. Besonders mit diesen Grundfunktionen gehen die oben genannten Aspekte der personenschutzbezogenen Sicherheit (Safety) einher.
Der Ausführung einer Fahrzeuggrundfunktion kann jeweils zumindest eine Aufgabe der entsprechenden Subsystemsteuerung zugeordnet werden. Die Steuereinheit wird gegenüber den Subsystemsteuerungen, welche diese Aufgaben der jeweiligen lokalen Betriebsmittelsubsysteme durchführen, als übergeordnete oder „zentrale“ Steuereinheit betrachtet. Zur Unterscheidung der Subsystemsteuerungen von der Steuereinheit werden diese „dezentrale“ Subsystemsteuerungen genannt. Die Steuereinheit ist gegenüber den Subsystemsteuerungen insbesondere dadurch als zentrale Steuereinheit ausgebildet, dass sie im Betrieb für zumindest eine, vorzugsweise für jede der von den Subsystemsteuerungen jeweils durchzuführenden Aufgaben diese Aufgabe kontrolliert.
Die zentrale Steuereinheit kann beispielsweise zumindest die Funktion einer Busverwaltung im Steuernetzwerk haben. Dabei verwaltet sie eine Datenkommunikation zwischen den an das Steuernetzwerk angeschlossenen Busteilnehmern. Das Steuernetzwerk weist dabei insbesondere eine Bustopologie auf, bei welcher zur Datenkommunikation eine Punkt-zu-Mehrpunktverbindung implementiert ist.
Die Steuereinheit kann außerdem gegenüber den Subsystemsteuerungen als Input-Output-Controller ausgebildet sein. Dies eignet sich insbesondere bei einer Ausführung des Steuernetzwerks mit einer Netztopologie, bei welcher zur Datenkommunikation eine Punkt-zu-Punktverbindung vom Teilnehmeranschluss zum Teilnehmeranschluss realisiert ist.
Das Steuernetzwerk ist bevorzugt als Ethernet-Netzwerk ausgebildet. In einer besonderen Ausführung kann das Steuernetzwerk ein Profinet-Netzwerk sein. Das Steuernetzwerk kann des Weiteren eine Ringtopologie aufweisen.
Das leittechnische Modul ist vorzugsweise von der Steuereinheit physikalisch unterschiedlich. Insbesondere können die Steuereinheit und das Modul in voneinander trennbaren Gehäuseeinheiten angeordnet sein. Dies ist im Zusammenhang mit einem Nachrüsten eines bestehenden leittechnischen Systems von Vorteil. Die Datenanschlusseinheit ist außerdem bevorzugt vom Steuernetzwerk physikalisch unterschiedlich. Dabei weisen das Steuernetzwerk und die Datenanschlusseinheit vorzugsweise unterschiedliche Leitungen auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das leittechnische Modul dazu vorgesehen, bezüglich einer Aufgabe einer Subsystemsteuerung an die Subsystemsteuerung zumindest eine Information zur sicherheitskonformen Durchführung der Aufgabe zu übermitteln. Unter einer „sicherheitskonformen“ Durchführung einer Aufgabe soll eine Durchführung gemäß einer bezüglich der Aufgabe einschlägigen Sicherheitsvorschrift, insbesondere zumindest einer geltenden Sicherheitsnorm verstanden werden. Eine derartige Information kann außerdem „sicherheitsrelevante“ Information genannt werden. Insbesondere ist sie für einen bestimmen Betriebszustand des Fahrzeugs charakteristisch. Beispielsweise kann sie als Geschwindigkeitsinformation ausgebildet sein, die für die Fahrzeuggeschwindigkeit charakteristisch ist.
In diesem Zusammenhang kann durch das leittechnische Modul eine redundante Übermittlung einer bestimmten sicherheitsrelevanten Information an die Subsystemsteuerung erfolgen. Ist die Übermittlung einer sicherheitsrelevanten Information zu einem bestimmten Betriebszustand des Fahrzeugs an die Subsystemsteuerung bereits über das Steuernetzwerk vorgesehen, kann außerdem durch das leittechnische Modul die Übermittlung einer anderweitigen sicherheitsrelevanten Information an die Subsystemsteuerung, die für den gleichen Betriebszustand charakteristisch ist, erfolgen. Durch diese Informationen kann eine diversitäre Bereitstellung von Informationen zu einem bestimmten Betriebszustand erreicht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das leittechnische Modul dazu vorgesehen ist, abhängig von der durchzuführenden Aufgabe vor dem Übermitteln die Information zu bestimmen. Hierdurch kann schnelle, von der typischen Rechenzeit der zentralen Steuereinheit unabhängige Bereitstellung der Information erreicht werden. Dabei ist das leittechnische Modul vorteilhafterweise dazu programmiert, die zumindest eine für die Aufgabe erforderliche sicherheitsrelevante Information selbst zu bestimmen. Hierbei bestimmt das leittechnische Modul zweckmäßigerweise mittels einer eigenen Rechen- und Speichereinheit welche sicherheitsrelevante Information für die von der Subsystemsteuerung durchzuführende Aufgabe erforderlich ist. Nach der Bestimmung der Information kann ein Erfassen dieser durch das leittechnische Modul erfolgen.
Des Weiteren ist vorteilhaft, wenn das leittechnische Modul dazu vorgesehen ist, die Information vor dem Übermitteln über die Datenanschlusseinheit zu erfassen und/oder die Information an die Subsystemsteuerung über die Datenanschlusseinheit zu übermitteln. Dadurch kann ein schnelles Erfassen und/oder eine schnelle Übermittlung der Information erreicht werden. Das leittechnische Modul weist dabei vorteilhafterweise – gegenüber einer Sensoreinheit und/oder einer weiteren Subsystemsteuerung – die Funktion eines Inputmoduls und/oder – gegenüber der die Aufgabe betreffenden Subsystemsteuerung – eines Output-Moduls auf. Es ist dabei dazu vorteilhaft vorgesehen, über die Datenanschlusseinheit zumindest eine Variabel von einer Sensoreinheit und/oder einer weiteren Subsystemsteuerung einzulesen und/oder über die Datenanschlusseinheit eine Variabel für die Subsystemsteuerung auszugeben. Bei dieser Ausgabefunktion ist das leittechnische Modul sinnvollerweise dazu vorgesehen, mittels der Datenanschlusseinheit einen zum Steuernetzwerk zusätzlichen Kommunikationskanal zur Übermittlung zumindest einer Variable an die Subsystemsteuerung bereitzustellen. In einer vorteilhaften Ausführung, bei welcher eine diversitäre Bereitstellung von Informationen zu einem bestimmten Betriebszustand erfolgt, wird eine der Information vorteilhafterweise über die Datenanschlusseinheit an die Subsystemsteuerung übermittelt.
Es kann eine vorteilhafte Modularität im Aufbau der Steueranordnung erreicht werden, wenn das leittechnische Modul und die Subsystemsteuerungen über gleichartige Schnittstellen an das Steuernetzwerk angeschlossen sind. Hierdurch kann eine einfache Ergänzung, insbesondere Nachrüstung des leittechnischen Systems erreicht werden. Diese Nachrüstung erfordert damit wenige Änderungen im vorhandenen leittechnischen System. Insbesondere ist der Einfluss des Anschlusses an das leittechnische System auf Zulassungsaspekte derart, dass durch ihn zulassungsrelevante Änderungen des Systems vermieden werden können. Die Schnittstellen für die Subsystemsteuerungen und das Modul sind vorteilhafterweise kommunikationstechnisch und/oder physikalisch einheitlich. Die Schnittstellen können dabei zumindest gemäß einem Kommunikationsprotokoll, insbesondere bezüglich einer Datenkommunikation mit der zentralen Steuereinheit gleichartig sein. Vorteilhaft kann dadurch erreicht werden, dass das leittechnische Modul an das Steuernetzwerk derart angeschlossen ist, dass es von der Steuereinheit funktional, insbesondere kommunikationstechnisch als dezentrale Subsystemsteuerung betrachtet wird. Die Schnittstellen sind vorzugsweise bezüglich einer physikalischen Anschlussmöglichkeit gleichartig.
Ein hohes Sicherheitsniveau kann ferner erreicht werden, wenn das leittechnische Modul dazu vorgesehen ist, bezüglich einer über das Steuernetzwerk empfangenen Information und einer über die Datenanschlusseinheit empfangenen Information eine Konsistenzprüfung durchzuführen. Insbesondere kann die Richtigkeit und/oder die Zuverlässigkeit einer im leittechnischen System vorhandenen Information, insbesondere einer sicherheitsrelevanten Information, vom Modul überprüft werden. Ist diese Information eine erste, für einen Betriebszustand des Fahrzeugs charakteristische Information, kann die Konsistenzprüfung die Erfassung der gleichen Information mittels des Moduls und/oder die Erfassung einer zweiten, anderweitigen und für den Betriebszustand charakteristischen Information mittels des Moduls umfassen.
Zweckmäßigerweise ist das leittechnische Modul dazu vorgesehen, durch Auswertung von einer ersten, über das Steuernetzwerk empfangenen Information betreffend eine Subsystemsteuerung und einer zweiten, über die Anschlusseinheit empfangenen Information betreffend die Subsystemsteuerung zumindest einen Betriebsprozess der Subsystemsteuerung zu überwachen, wodurch eine hohe Sicherheit im Betrieb des Fahrzeugs erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Datenanschlusseinheit zumindest zur digitalen Übertragung vorgesehen. Hierbei weist das leittechnische Modul vorteilhafterweise zumindest eine Schnittstelleneinheit mit zur digitalen Eingabe von Daten vorgesehenen Input-Schnittstellen und zur digitalen Ausgabe von Daten vorgesehenen Output-Schnittstellen auf, an welche Leitungen der Datenanschlusseinheit, die zur digitalen Übertragung vorgesehen sind, anschließbar sind.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Datenanschlusseinheit Ethernet-Verbindungen aufweist.
Es kann außerdem eine konstruktiv einfache Vernetzung erreicht werden, wenn die Steueranordnung einen Fahrzeugbus aufweist, welcher das Steuernetzwerk mit einem weiteren Steuernetzwerk des Fahrzeugs verbindet, wobei die Datenanschlusseinheit vom Fahrzeugbus gebildet ist. Ist das Fahrzeug als Verband von Wagen ausgebildet, insbesondere bei einem Schienenfahrzeug, sind die Steuernetzwerke insbesondere jeweils zumindest einem unterschiedlichen Wagen des Fahrzeugs zugeordnet. Es können außerdem Gruppen von gekoppelten Wagen jeweils als leittechnische Einheit definiert sein (auch unter dem Begriff „Consist“ bekannt), wobei die Steuernetzwerke jeweils einer unterschiedlichen Einheit zugeordnet sind. In den genannten Fällen erstreckt sich der Fahrzeugbus über mehrere Wagen des Fahrzeugs, insbesondere über das gesamte Fahrzeug. Ggf. kann der Fahrzeugbus mehrere gleichartige, miteinander gekoppelte Fahrzeuge verbinden. Der Fahrzeugbus kann beispielsweise gemäß einer Norm ausgebildet sein, z.B. als WTB-Bus („Wire Train Bus“) oder als ETB-Bus („Ethernet Train Backbone“).
Es kann ferner eine sichere Erfassung von Betriebsvariablen erreicht werden, wenn die Steueranordnung einen Satz von Sensoreinheiten aufweist, die an das Steuernetzwerk und das leittechnische Modul angeschlossen sind.
Es kann eine weitere Steigerung des Sicherheitsniveaus der Steueranordnung dadurch erreicht werden, dass das leittechnische Modul eine Rechnereinheit aufweist, die zumindest zwei Prozessoren umfasst. Besonders vorteilhaft können die Prozessoren unterschiedlicher Bauart und/oder diversitär programmiert sein.
Dabei kann eine hohe Sicherheit im Hinblick auf die Datenkommunikation erreicht werden, wenn ein erster Prozessor zur Ausführung von Kommunikationsaufgaben vorgesehen ist und ein zweiter Prozessor zur Ausführung sonstiger Aufgaben vorgesehen ist. Eine Kommunikationsaufgabe umfasst dabei sinnvollerweise zumindest die Verwaltung einer Datenkommunikation mit den an das Modul angeschlossenen Einheiten.
Vorteilhaft ist ferner, wenn das leittechnische Modul dazu vorgesehen ist, eine sicherheitsbedingte Bremsung des Fahrzeugs einzuleiten. Hierzu besteht vorzugsweise eine direkte Anbindung des leittechnischen Moduls mit einer Bremssteuerung, insbesondere Bremshauptventilen. Eine Bremsung kann insbesondere dann durch das Modul ausgelöst werden, wenn die oben erwähnten Konsistenzprüfung und/oder Überwachung fehlgeschlagen sind. Durch die Bremsung kann das Fahrzeug in einen sicheren Zustand gebracht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: ein Schienenfahrzeug mit Betriebsmittelsubsystemen in einer schematischen Seitenansicht,
2: eine Steueranordnung des Schienenfahrzeugs aus 1, mit einem leittechnischen System und einem leittechnischen Modul,
3: eine schematische Darstellung des leittechnischen Systems, des Moduls und der zwischen diesen herstellbaren Kommunikationsverbindungen,
4: das leittechnische System und das Modul, welches an eine Anzeigeeinheit und eine Eingabeeinrichtung des Schienenfahrzeugs angeschlossen ist, und
5: eine Detailansicht des leittechnischen Moduls.
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 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 und 20.8 einer Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Triebfahrzeugführer, Betriebsmittel 20.11 einer Notbremseinrichtung und Betriebsmittel 20.13 einer Zugsicherung.
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“. Als Zugsicherungssysteme sind beispielsweise PZB („Punktförmige Zugbeeinflussung“), LZB („Linienzugbeeinflussung“), ETCS („European Train Control System“) denkbar.
2 zeigt ein leittechnisches System 22 des Schienenfahrzeugs 10 in einer schematischen Ansicht. Dieses umfasst ein Steuernetzwerk 24, welches eine ringförmige Netzwerkstruktur aufweist. Es ist als Ethernet-Netzwerk ausgebildet, insbesondere gemäß dem Profinet-Standard. Das System 22 weist außerdem eine Steuereinheit 26 auf, welche an das Steuernetzwerk 24 angeschlossen ist. Die oben genannten Betriebsmittelsubsysteme weisen jeweils zumindest eine Subsystemsteuerung 28 auf, die zur Steuerung eines oder mehrerer Betriebsmittel des entsprechenden Betriebsmittelsubsystems vorgesehen ist. Die Subsystemsteuerungen 28 sind jeweils zur Steuerung einer Aufgabe in Verbindung mit der dem jeweiligen Subsystem zugeordneten Funktionalität vorgesehen. In der Figur sind als Subsystemsteuerung 28.1 eine Antriebssteuerung, als Subsystemsteuerung 28.2 eine Bremssteuerung, als Subsystemsteuerung 28.3 eine Steuerung des Fahrzeugtürsystems, als Subsystemsteuerung 28.13 eine Steuerung der Zugsicherung dargestellt. Diese Steuerungen sind auch in 1 zu sehen.
Die Subsystemsteuerungen 28 sind an das Steuernetzwerk 24 jeweils mittels einer Schnittstelle 30 angeschlossen. Die Schnittstellen 30 sind in der Netzwerkstruktur geschaltet. In der Netzwerkstruktur sind außerdem weitere Schnittstellen 32 angeordnet. An Schnittstellen 32 sind ein Satz von Sensoreinheiten 34 und eine Aktoreneinheit 36 angeschlossen. An eine weitere Schnittstelle 32 sind die Steuereinheit 26 und das als Anzeigeeinheit der Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgebildete Betriebsmittel 20.8 angeschlossen. Das als Eingabeeinrichtung zur Eingabe von Zugdaten vorgesehene Betriebsmittel 20.7 ist ebenfalls an das Steuernetzwerk 24 angeschlossen. Die Schnittstellen 30 und 32 weisen insbesondere jeweils eine Switch-Funktionalität auf.
Die Schnittstellen 30 und 32 sind im Steuernetzwerk 24 jeweils als Input-Output-Module ausgebildet, durch welche ein Datenverkehr zwischen dem jeweiligen Teilnehmer, insbesondere einer zugeordneten Subsystemsteuerung 28, und der zentralen Steuereinheit 26 hergestellt wird. Die Steuereinheit 26 wird gegenüber den Subsystemsteuerungen 28, welche lokale Aufgaben der jeweiligen Betriebsmittelsubsysteme durchführen, als „zentrale“ Steuereinheit betrachtet. Zur Unterscheidung der Subsystemsteuerungen 28 von der Steuereinheit 26 werden diese „dezentrale“ Subsystemsteuerungen 28 genannt. Die Steuereinheit 26 ist gegenüber den Subsystemsteuerungen 28 als Input-Output-Controller ausgebildet, welcher für jede der von den Subsystemsteuerungen 28 jeweils durchzuführenden Automatisierungsaufgaben diese Aufgabe kontrolliert.
Die Schnittstellen 30 und 32 sind in ihrer Funktion zur Herstellung einer Kommunikation zwischen dem jeweiligen angeschlossenen Teilnehmer und der zentralen Steuereinheit 26 gleichartig. Sie können physikalisch unterschiedliche Formen annehmen, die bezüglich der Funktion des angeschlossenen Teilnehmers spezifisch sind. Die Schnittstellen 30 können z.B. als eine Steckkarte einer Recheneinheit ausgebildet sein, während die Schnittstellen 32 insbesondere als Bestandteile von speicherprogrammierbaren Steuerungen ausgebildet sein können. Die Zusammenfassung mehrerer Schnittstellen 32 in einem zusammenhängenden Modul bzw. die Anordnung dieser Schnittstellen 32 in einer gemeinsamen Gehäuseeinheit sind durch eine gestrichelte Kontur dargestellt.
Das Steuernetzwerk 24 umfasst des Weiteren eine Fahrzeugbusanschlusseinheit 38 auf, welche eine Schnittstelle zwischen dem Steuernetzwerk 24 und einem Fahrzeugbus 40 bildet. Der Fahrzeugbus 40 erstreckt sich über mehrere Wagen 12, insbesondere über das gesamte Schienenfahrzeug 10 und verbindet das Steuernetzwerk 24 mit einem weiteren, gleichartigen Steuernetzwerk des Schienenfahrzeugs 10 (nicht dargestellt) ggf. mit einem Steuernetzwerk eines mit dem Schienenfahrzeug 10 gekoppelten, gleichartigen Schienenfahrzeugs. Der Fahrzeugbus 40 kann z.B. als Ethernet-Bus ausgebildet sein. Die Fahrzeugbusanschlusseinheit 38 kann mit einer Gateway-Funktionalität ausgestattet werden, durch welche das Steuernetzwerk 24 als Subnetzwerk an das übergeordnete Zugnetzwerk angeschlossen ist.
An das Steuernetzwerk 24 ist außerdem ein leittechnisches Modul 42 angeschlossen. Dieses unterscheidet sich physikalisch von der zentralen Steuereinheit 26. Insbesondere sind die Steuereinheit 26 und das Modul 42 in unterschiedlichen Gehäuseeinheiten angeordnet. Das Modul 42 ist des Weiteren mittels einer Datenanschlusseinheit 44 mit den Subsystemsteuerungen 28 und den Sensoreinheiten 34 datentechnisch verbunden. Diese Datenanschlusseinheit 44 ist vom Steuernetzwerk 24 physikalisch unterschiedlich. Insbesondere weist die Datenanschlusseinheit 44 Leitungen auf, die von Leitungen des Steuernetzwerks 24 unterschiedlich sind.
Das leittechnische Modul 42 weist eine Recheneinheit 45 (siehe 3 bis 5), eine Schnittstelleneinheit 46 und eine Busanschlusseinheit 48 auf.
Die Busanschlusseinheit 48 weist einen ersten Anschluss 48.1 auf, über welchen das Modul 42 an das Steuernetzwerk 24 anschließbar ist. Der Anschluss 48.1 ist über eine Schnittstelle 30 ans Steuernetzwerk 24 angeschlossen. Ein Anschluss über eine Schnittstelle 32 wäre ebenfalls denkbar. Das Modul 42 und die Subsystemsteuerungen 28 sind demnach über gleichartige Schnittstellen an das Steuernetzwerk 24 angeschlossen.
Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass das Modul 42 von der Steuereinheit 26 funktional als Subsystemsteuerung betrachtet wird.
Über einen zweiten Anschluss 48.2 ist das Modul 42 an den Fahrzeugbus 40 angeschlossen. Es kann ein oder mehrere weitere Anschlüsse 48.3 vorgesehen sein, über welche das Modul 42 an weitere Busse 50.1, 50.2 anschließbar ist (siehe 3 und 5), wie z.B. einen CAN-Bus („Control Area Network“) oder MVB-Bus („Multifunction Vehicle Bus“).
Wie in 5 zu sehen weist die Schnittstelleneinheit 46 zur digitalen Eingabe von Daten vorgesehene Input-Schnittstellen 46.1 und zur digitalen Ausgabe von Daten vorgesehene Output-Schnittstellen 46.2 auf. Zusätzlich kann die Schnittstelleneinheit 46 zur analogen Eingabe von Daten vorgesehene Input-Schnittstellen 46.3 und zur analogen Ausgabe von Daten vorgesehene Output-Schnittstellen 46.4 aufweisen.
Das Modul 42 ist vorzugsweise über die digitalen Schnittstellen 46.1, 46.2 und Leitungen der Datenanschlusseinheit 44 mit den Subsystemsteuerungen 28 datentechnisch verbunden. Die Datenanschlusseinheit 44 ist hierzu zumindest mit Leitungen ausgestattet, die zur digitalen Datenübertragung vorgesehen sind. Insbesondere können Leitungen von Ethernet-Kabeln gebildet sein.
Die Funktion des Moduls 42 wird nun anhand eines ersten Anwendungsbeispiels näher erläutert.
Dieses Anwendungsbeispiel betrifft das Subsystem „Türen“, welches die an das Steuernetzwerk 24 angeschlossene Subsystemsteuerung 28.3 aufweist. Die Türen des Schienenfahrzeugs 10 können erst durch den Fahrzeugführer zum Öffnen freigegeben werden, wenn das Schienenfahrzeug 10 zum Stehen gekommen ist. Gemäß einer Sicherheitsanforderung muss die Erfassung des Betriebszustands „Haltezustand“ des Schienenfahrzeugs 10 durch die Subsystemsteuerung 28.3 diversitär erfolgen. Eine erste, für die Subsystemsteuerung 28.3 bereitgestellte Variabel entspricht der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 10. Diese kann über das Steuernetzwerk 24 nach Erfassung durch eine Sensoreinheit 34 und/oder nach Übermittlung durch die Zugsicherung an die Subsystemsteuerung 28.3 übermittelt werden. Eine zweite, für die Subsystemsteuerung 28.3 bereitgestellte Variabel ist eine Kenngröße, die den Betriebszustand der Subsystemsteuerung 28.1, welche der Antriebssteuerung entspricht, charakterisiert. Beispielweise soll aus der Variabel der Betriebszustand bestimmbar sein, in welchem die Antriebssteuerung keine Taktbefehle für leistungselektronische Komponenten der Antriebseinheit 14 ausgibt.
Das Modul 42 bestimmt hierzu eigenständig aus den zur Verfügung stehenden Information des leittechnischen Systems 22 die zur sicherheitskonformen Durchführung der Aufgabe der Subsystemsteuerung 28.3 (Freigabe der Türen) erforderliche Information und bestimmt nämlich, dass die Variabel zum Taktzustand der Antriebssteuerung erforderlich ist. Zur Bereitstellung der Variabel zu dieser Information dient das Modul 42, welches über die Datenanschlusseinheit 44 mit der Subsystemsteuerung 28.1 datentechnisch verbunden ist. Es erfasst über die Datenanschlusseinheit 44 die Variabel der Subsystemsteuerung 28.1 und übermittelt diese über die Datenanschlusseinheit 44 an die Subsystemsteuerung 28.3. Wenn die Geschwindigkeit „0“ und der Betriebszustand „keine Taktung“ der Subsystemsteuerung 28.3 vorliegen, kann diese das Fahrzeugtürsystem in einen Zustand versetzen, in welchem die Türen zum Öffnen freigegeben werden können.
Die Subsystemsteuerung 28.3 empfängt demnach zwei Variablen über zwei verschiedene, voneinander physikalisch unterschiedliche Übertragungskanäle. Das Modul 42 stellt daher mittels der Datenanschlusseinheit 44 einen zum Steuernetzwerk 24 redundanten Kommunikationskanal bereit, über welchen die Variabel „Betriebszustand der Antriebssteuerung“ zur Subsystemsteuerung 28.3 übertragen wird. Die Freigabe der Türen ist mit dem Personenschutz eng verbunden. Die Prozesse der Subsystemsteuerung 28.3 müssen demnach sicherheitskritische Anforderungen – in der fachmännischen Sprache auch „Safety“-Anforderungen genannt – erfüllen. Die der Türfreigabe zugrunde liegenden Variablen sind demnach in diesem Zusammenhang sicherheitskritische Informationen, welche über das Steuernetzwerk 24 und mittels des Moduls 42 über die Datenanschlusseinheit 44 an die Subsystemsteuerung 28.3 übermittelt werden.
3 zeigt in einer schematischen und abstrahierten Darstellung das Modul 42, das leittechnische System 22, den Fahrzeugbus 40 und die zwischen diesen bestehenden Verbindungen.
Das Modul 42 ist über eine Schnittstelle 30 an das leittechnische System 22 angeschlossen. Es ist zudem über die Schnittstelleneinheit 46 und die Datenanschlusseinheit 44 mit den Subsystemsteuerungen 28 datentechnisch verbunden. Der Anschluss des Moduls 42 an den Fahrzeugbus 40 sowie an weitere Busse 50.1, 50.2, wie z.B. einen CAN-Bus und einen MVB-Bus, erfolgt über die Busanschlusseinheit 48. Das leittechnische System 22 ist über die Fahrzeugbusanschlusseinheit 38 des Steuernetzwerks 24 an den Fahrzeugbus 40 und über geeignete Schnittstellen an die weiteren Busse 50.1, 50.2 angeschlossen.
Es ist insbesondere anhand dieser Figur ersichtlich, dass das Modul 42 und die Datenanschlusseinheit 44 in der Form eines Nachrüstungssystems benutzt werden können, welches in Kombination mit einem bestehenden leittechnischen System 22 eingesetzt wird.
Anhand der 3 ist außerdem eine Ausführungsvariante zu erkennen, bei welcher alternativ oder zusätzlich Leitungen des Fahrzeugbusses 40 einen Bestandteil der Datenanschlusseinheit 44 bilden. Dabei kann eine Kommunikation zwischen dem Modul 42 und einer Subsystemsteuerung 28 über den Fahrzeugbus 40 erfolgen. Dies ist in der Figur gestrichelt dargestellt.
Es wird nun ein weiteres Anwendungsbeispiel anhand der 4 erläutert. Diese zeigt das leittechnische System 22, das Modul 42, die Subsystemsteuerung 28.13 der Zugsicherung, eine als Geschwindigkeitssensor ausgebildete Sensoreinheit 34, die Betriebsmittel 20.7 und 20.8 der Mensch-Maschine-Schnittstelle, die der Eingabeeinrichtung zur Eingabe von Zugdaten bzw. der Anzeigeeinheit entsprechen.
Das Modul 42 ist wie oben bereits beschrieben über dessen Anschluss 48.1 und eine Schnittstelle 30 an das leittechnische System 22 angeschlossen. Das als Eingabeeinrichtung ausgebildete Betriebsmittel 20.7 ist an das Steuernetzwerk 24 und über die Datenanschlusseinheit 44 an das Modul 42 angeschlossen (siehe auch 2). Dies gilt auch für das als Anzeigeeinheit ausgebildete Betriebsmittel 20.8.
Der Anschluss der Betriebsmittel 20.7, 20.8 erfolgt insbesondere mittels einer Geräteanschlusseinheit 52, die von der Schnittstelleneinheit 46 unterschiedlich ist. Beispielsweise sind die Verbindungen zu den Betriebsmitteln 20.7, 20.8 über serielle Schnittstellen realisiert. Die Verbindung des Moduls 42 zur Subsystemsteuerung 20.13 der Zugsicherung erfolgt über eine digitale Schnittstelle 46.1. Die Verbindung des Moduls 42 zur Sensoreinheit 34 erfolgt z.B. über eine analoge Schnittstelle 46.3.
Das Modul 42 ist dazu vorgesehen, die Eingabe von Zugdaten über das Betriebsmittel 20.7 zu überwachen. Hierzu führt es wie im Folgenden erläutert eine Konsistenzprüfung aus. Über die durch die Datenanschlusseinheit 44 bereitgestellte direkte Verbindung des Moduls 42 zum Betriebsmittel 20.7 kann ein von der Bedienperson eingegebener Wert vom Modul 42 erfasst werden. Das Modul 42 kann zudem über den Anschluss an das Steuernetzwerk 24 den Wert empfangen, welcher bei der Eingabe der Bedienperson vom leittechnischen System 22 erfasst wurde. Auf diese Weise kann vom Modul 42 geprüft werden, ob die beiden empfangenen Informationen miteinander konsistent sind.
Außerdem dient das Modul 42 dazu, die Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit zu überwachen. Hierzu führt es ebenfalls eine Konsistenzprüfung aus. Es empfängt über den Anschluss an das Steuernetzwerk 24 eine erste Geschwindigkeitsinformation, welche im leittechnischen System 22 vorhanden ist und zur Ausführung sicherheitskritischer Aufgaben berücksichtigt werden soll. Es empfängt außerdem über die Datenanschlusseinheit 44 eine Geschwindigkeitsinformation von der Subsystemsteuerung 20.13 der Zugsicherung. Durch Vergleich der Geschwindigkeitsinformationen kann das Modul 42 eine Konsistenzprüfung durchführen. Zusätzlich kann eine weitere Geschwindigkeitsinformation als Zusatzinformation von der Sensoreinheit 34 bezogen werden. Beispielsweise kann die gezeigte Sensoreinheit 34 als Radar-Sensor ausgebildet sein.
Des Weiteren ist das leittechnische Modul 42 dazu vorgesehen, die Anzeige des Geschwindigkeitswerts durch das Betriebsmittel 20.8 zu überwachen. Hierzu empfängt es eine Geschwindigkeitsinformation über das Steuernetzwerk 24 des leittechnischen Systems 22. Diese entspricht der Geschwindigkeitsinformation, welche über das Steuernetzwerk 24 an das Betriebsmittel 20.8 übermittelt wird. Über die Datenanschlusseinheit 44 empfängt das Modul 42 den Geschwindigkeitswert, welcher vom Betriebsmittel 20.8 angezeigt wird. Das Betriebsmittel 20.8 weist eine Anzeige 54 und einen Anzeigespeicher 56 auf, welcher mit einer Schnittstelle 58 zum Anschließen an die Datenanschlusseinheit 44 datentechnisch verbunden ist. Der Geschwindigkeitswert wird aus dem Anzeigespeicher ausgelesen und über die Datenanschlusseinheit 44 an das Modul 42 übermittelt. Das Modul vergleicht die vom System 22 empfangene Geschwindigkeitsinformation mit dem vom Betriebsmittel 20.8 über die Datenanschlusseinheit 44 empfangenen Geschwindigkeitswert.
Ist eine der oben beschriebenen Konsistenzprüfungen oder Überwachungen fehlgeschlagen, indem eine Inkonsistenz zwischen zwei verglichenen Werten festgestellt wird, wird vom leittechnischen Modul 42 eine sicherheitsbedingte Bremsung des Fahrzeugs eingeleitet. Dies erfolgt über eine direkte Anbindung des Moduls 42 an eine Bremssteuerung 60. Diese ist als Paar von redundanten Hauptbremsventilen einer pneumatischen Bremseinrichtung des Schienenfahrzeugs 10 ausgebildet.
5 zeigt das leittechnische Modul 42 in einer Detailansicht. Der folgende Text ist um unnötige Wiederholungen zu vermeiden auf die Merkmale des Moduls 42 gerichtet, die in den obigen Ausführungen nicht erwähnt sind.
Die Recheneinheit 45 des Moduls 42 weist zwei Prozessoren 62, 64 auf (siehe auch 4). Diese sind unterschiedlicher Bauart und können diversitär programmiert werden. Die Bussysteme der beiden Prozessoren sind intern getrennt und verfügen über ein separates Protokoll um eine sicherheitstechnisch notwendige Trennung herbeizuführen. Die Verwaltung der Kommunikation des Moduls 42 mit den angeschlossenen Einheiten erfolgt mittels des Prozessors 64, welches dieser Aufgabe zugeordnet ist. Das Modul 42 weist außerdem ein intelligentes RAM/EPROM Verwaltungssystem auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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

Claims

Steueranordnung für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug (10), mit einem leittechnischen System (22), welches zumindest eine zentrale Steuereinheit (26), einen Satz von dezentralen Subsystemsteuerungen (28) und ein Steuernetzwerk (24) aufweist, an welches die Steuereinheit (26) und die Subsystemsteuerungen (28) angeschlossen sind, gekennzeichnet durch ein von der Steuereinheit (26) unterschiedliches leittechnisches Modul (42), das an das Steuernetzwerk (24) angeschlossen ist, und eine vom Steuernetzwerk (24) unterschiedliche Datenanschlusseinheit (44), durch welche das leittechnische Modul (42) mit den Subsystemsteuerungen (28) datentechnisch verbunden ist.
Steueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, bezüglich einer Aufgabe einer Subsystemsteuerung (28) an die Subsystemsteuerung (28) zumindest eine Information zur sicherheitskonformen Durchführung der Aufgabe zu übermitteln.
Steueranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, abhängig von der durchzuführenden Aufgabe vor dem Übermitteln die Information zu bestimmen.
Steueranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, die Information vor dem Übermitteln über die Datenanschlusseinheit (44) zu erfassen und/oder die Information an die Subsystemsteuerung (28) über die Datenanschlusseinheit (44) zu übermitteln.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) und die Subsystemsteuerungen (28) über gleichartige Schnittstellen (30, 32) an das Steuernetzwerk (24) angeschlossen sind.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, bezüglich einer über das Steuernetzwerk (24) empfangenen Information und einer über die Datenanschlusseinheit (44) empfangenen Information eine Konsistenzprüfung durchzuführen.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, durch Auswertung von einer ersten, über das Steuernetzwerk (24) empfangenen Information betreffend eine Subsystemsteuerung (28) und einer zweiten, über die Anschlusseinheit (44) empfangenen Information betreffend die Subsystemsteuerung (28) zumindest einen Betriebsprozess der Subsystemsteuerung (28) zu überwachen.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fahrzeugbus (40), welcher das Steuernetzwerk (24) mit einem weiteren Steuernetzwerk des Fahrzeugs verbindet, wobei die Datenanschlusseinheit (44) zumindest teilweise vom Fahrzeugbus (40) gebildet ist.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Subsystemsteuerungen (28) Komponenten des folgenden Satzes sind: Steuerung des Fahrzeugtürsystems, Bremssteuerung, Antriebssteuerung, Steuerung einer Fahrzeugsicherung, Steuerung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Satz von Sensoreinheiten (34), die an das Steuernetzwerk (24) und das leittechnische Modul (42) angeschlossen sind.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) eine Recheneinheit (45) aufweist, die zumindest zwei Prozessoren (62, 64) umfasst.
Steueranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Prozessor (64) zur Ausführung von Kommunikationsaufgaben vorgesehen ist und ein zweiter Prozessor (62) zur Ausführung sonstiger Aufgaben vorgesehen ist.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das leittechnische Modul (42) dazu vorgesehen ist, eine sicherheitsbedingte Bremsung des Fahrzeugs einzuleiten.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einer Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Leittechnisches Modul, welches im Zusammenwirken mit einem leittechnischen System (22) zur Bildung einer Steueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 vorgesehen ist.