DE102019206348A1

DE102019206348A1 - Verfahren und Computer-Programm-Produkt zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge sowie Signalzeichenerkennungssystem und Spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102019206348A1
Application number: DE102019206348.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schönberger
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Um Signalzeichen (SZ) zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge (FZ, SFZ) auf eine einfache und ressourcenschonende Weise sowie inhärent gewichtet zu erkennen, wird es vorgeschlagen, für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Erkennung des Signalzeichens, das sich an einer Signalzeichenposition (SZP) entlang einer Fahrstrecke (FST) des spurgebundenen Fahrzeugs befindet,- auf der Basis eines von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich, an einer Fahrzeugposition (FZP) akquirierten Streckenbildes (SB), in regelmäßigen Zeitabständen, vorzugsweise von 200ms, bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition iterativ zu bewerten, wie stark jeweils im Zuge einer dazu auf der Basis des Streckenbildes, der Fahrzeugposition, von gespeicherten Referenz-Streckenbildern (RSB), Streckenbild-Metadaten (SBMD) inklusive der Signalzeichenposition (SZP) und Signalzeichendaten (SZD) sowie von gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten (SFZD) durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition relativ zur Fahrzeugposition verändernder Bildausschnitt bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern bekannten Signalzeichen (SZ') abweicht,- zu bewerten, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen (SZ) durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen (SZ, SZ') bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Computer-Programm-Produkt zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 5, ein Signalzeichenerkennungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8 und ein Spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 16.
Spurgebundene Fahrzeuge sind Bestandteil einer modernen Verkehrsinfrastruktur als Verkehrs- und Transportmittel, die sich beispielsweise rollend auf oder unter von einer oder zwei Leitschienen (Gleisen), schwebend über oder unter einem Magnetfeld oder hängend an Stahlseilen fortbewegen. Von den genannten spurgebundenen Verkehrs- und Transportmittel sind Schienenfahrzeuge, die auf einem Rad-Schiene-System basieren, die entweder einen eigenen Fahrantrieb (Triebwagen) oder von eine Lokomotive gezogen oder geschoben werden und bei denen überwiegend Stahlräder mit einem Spurkranz auf zwei Stahlschienen bzw. Gleisen geführt werden, am weitesten verbreitet.
Solche Schienenfahrzeuge im Regionalverkehr oder Fernverkehr sind im Gegensatz zu fahrerlosen U-Bahnen und Bahnen zur Verbindung von Flughafen-Terminals darauf angewiesen, dass ein Triebfahrzeugführer Vorsignale und Hauptsignale, wie z.B. Strecken-frei-Zeichen oder Strecken-belegt-Zeichen, auswertet und entsprechende Fahraktionen daraus ableitet.
Dadurch kann es allgemein bei fahrergeführten Schienenfahrzeugen zu folgenden Szenarien kommen:
Szenario 1:
Triebfahrzeugführer sind, wie alle anderen menschlichen Aufgabenträger, gelegentlich unachtsam oder machen Wahrnehmungsfehler und leiten deswegen gegebenenfalls lebensgefährliche Fahraktionen ein (Beschleunigen des Fahrzeugs) oder unterlassen diese (Unterlassen eines Bremsvorgangs im Fahrzeug) .
Szenario 2:
Triebfahrzeugführer sind gegebenenfalls nicht immer verfügbar (z.B. wegen Krankheit, Streik, ungeplantes Mehraufkommen von Fahraufträgen, etc.), so dass Fahrten gegebenenfalls ausfallen müssen.
Das Auftreten dieser geschilderten Szenarien könnte durch eine automatische Signalerkennung behoben werden, die aber bisher an folgenden Problemen scheiterte:

A. Der Zustand von Signalen konnte nicht zuverlässig erkannt werden, ohne eine Kommunikationseinrichtung zwischen Strecke bzw. Stellwerk und dem Schienenfahrzeug herzustellen.
B. Abnorme Signale wie z.B. beschädigte Signale oder provisorische Signale für Baustellen konnten nicht erkannt werden.
C. Relevante Signale konnten nicht zuverlässig von irrelevanten Signalen (z.B. einer Nebenstrecke oder der Gegenrichtung) unterschieden werden.

Die aufgeführten Probleme bei der Umsetzung einer automatisierten Signalerkennung und einer entsprechenden Fahrbeeinflussung des Schienenfahrzeuges wurden bisher versucht, durch aufwändige Zusatzinvestitionen in die Streckeninfrastruktur, wie Induktionsschleifen, Rechner entlang der Strecke und Kommunikationsanlagen zwischen Zug und Streckenkomponenten in den Griff zu kriegen. Entsprechende Lösungen sind daher nur auf Strecken überschaubarer Länge wirtschaftlich, wie zum Beispiel U-Bahnen oder Bahnen zwischen Flughafenterminals.
Aus der WO 2017/174155 A1 ist Verfahren, Vorrichtung und Bahnfahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, zur Signalerkennung im Bahnverkehr, insbesondere Schienenverkehr bekannt, bei dem/der es, um Signale im Bahnverkehr, wenn Bahnfahrzeuge auf Bahnstrecken im Bahnnetz unterwegs sind, automatisch zu erkennen, vorgeschlagen wird

- auf Basis (i) von als Referenzdaten gespeicherten, entlang einer Bahnstrecke in einem Bahnnetz in Bezug auf geografische Umgebung und Bahnverkehr-Signalsteuerung erfassten ortsbezogenen Referenz-Informationen in Form von Referenz-Ortsinformationen und Referenz-Signalzustandsinformationen, im Erfassungskontext gewonnenen Kontext- und Hinweisinformationen und gegebenenfalls zusätzlicher diesbezüglicher Metainformationen sowie (ii) des Abgleichs von im Signalerkennungsbetrieb anhand von Positionsdaten erfassten Betrieb-Ortsinformationen und Betrieb-Signalzustandsinformationen mit den gespeicherten Referenzdaten
- ein Signal und/oder ein Signalzustand zur Steuerung des Bahnverkehrs auf der Bahnstrecke zu erkennen, wobei dies durch Auswertung von Relevanz und Inhalt der Informationen dann der Fall ist, wenn bei dem Abgleich die erfasste Betrieb-Signalzustandsinformation für die Signalerkennung gefunden ist, die in Bezug auf die Betrieb-Ortsinformation und der dazu korrespondierenden Referenz-Ortsinformation zu einer in den Referenzdaten enthaltenen Referenz-Signalzustandsinformation unter Berücksichtigung der in den Referenzdaten enthaltenen Kontext- und Hinweisinformationen sowie der gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Metainformationen korrespondiert.

Für autonom fahrende Schienenfahrzeuge müssen Signalstellungen (z.B. Halt, Fahrt, Langsam-Fahrt) und Streckenzeichen automatisiert erkannt werden. Dafür werden insbesondere und auch gemäß der aus der der WO 2017/174155 A1 bekannten technischen Lehre Bilder analysiert, die durch Geräte zur Bildakquise, wie z.B. Kameras jeglicher Art und jegliches Akquirierungsprinzips, erzeugt werden.
Dabei ergeben sich folgende Probleme:

I. Das Bild muss relativ zu einer Position ausgewertet werden, d.h. es muss, je nachdem wo sich das Schienenfahrzeug befindet, eine Signalstellung oder ein Streckenzeichen in unterschiedlicher Entfernung erkannt werden und zusätzlich muss gegebenenfalls beurteilt werden, ob das jeweilige Signal relevant ist, so z.B. ob es für ein anderes Gleis als das befahrene Gleis gilt
II. Positionierungsinformationen sind ungenau, was die Auswertung unter Punkt I. erschwert.
III. Die Hardware-Ressourcen für Bildakquise, Bildübertragung, Bildverarbeitung und Bildspeicherung sind begrenzt.
IV. Abnorme Signale, z.B. aufgrund von Beschädigungen, müssen erkannt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und ein Computer-Programm-Produkt zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge sowie ein Signalzeichenerkennungssystem und ein spurgebundenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, anzugeben, mit dem auf eine einfache und ressourcenschonende Weise eine sichere und inhärent gewichtete Signalzeichenerkennung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Signalzeichenerkennungsverfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Darüber hinaus wird die Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 definierten Computer-Programm-Produkt durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 5 angegebenen Merkmale gelöst.
Außerdem wird diese Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 8 definierten Signalzeichenerkennungssystem durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 16 definierten Spurgebundenen Fahrzeug durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 16 angegebenen Merkmale gelöst.
Die der Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 5, 8 und 16 zugrunde liegenden Idee besteht darin, dass für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Erkennung eines Signalzeichens, das sich an einer Signalzeichenposition entlang einer Fahrstrecke eines spurgebundenen Fahrzeugs befindet, insbesondere wenn dieses auf der Fahrstrecke automatisiert fahren soll,

- auf der Basis eines von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich, an einer Fahrzeugposition akquirierten Streckenbildes, in regelmäßigen Zeitabständen, vorzugsweise von 200ms, bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition iterativ bewertet wird, wie stark jeweils im Zuge einer dazu auf der Basis des Streckenbildes, der Fahrzeugposition, von gespeicherten Referenz-Streckenbildern, Streckenbild-Metadaten inklusive der Signalzeichenposition und Signalzeichendaten sowie von gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition relativ zur Fahrzeugposition verändernder Bildausschnitt bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern bekannten Signalzeichen abweicht,
- bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen bestimmt wird.

Als vorteilhaft im Sinne von einfach, kostengünstig und wirtschaftlich als Ausgangspunkt für die Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Erkennung des Signalzeichens erweist es sich, wenn die Fahrzeugposition satellitenunterstützt bestimmt wird (Ansprüche 2 und 10) .
Darüber hinaus ist es bei dem gegebenen Aufwand für die erfindungsgemäße Signalzeichenerkennung nützlich und auch zweckmäßig für die Weiterentwicklung für den Personen- und Güterverkehr mit spurgebundenen Fahrzeugen, wenn das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem weitergegeben wird (Ansprüche 3, 6 und 11).
In diesem Fall ist es jedoch aus Sicherheitsaspekten nicht nur von Vorteil, sondern auch geboten, das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich zu checken, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem zu übergeben (Ansprüche 4, 7 und 12) .
Solche Sicherheitschecks sind zweckmäßig, angebracht und sinnvoll, weil es durchaus sein könnte, dass ein Rücklicht eines vorausfahrenden Fahrzeugs mit einem zu erkennenden roten Signalzeichen verwechselt werden kann. In diesem Fall kann zu Sicherheitszwecken „Halt“ als Ergebnis ausgegeben werden, um auf der sicheren Seite zu bleiben.
Durch den erfindungsgemäßen, intelligenten Abgleich von Positions- und Streckenbilddaten - wie vorstehend skizziert, in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschrieben und in den Patentansprüchen angegeben - kann erreicht werden, dass:

- Signalzeichen entlang von Fahrstrecken spurgebundener Fahrzeuge ohne aufwändige Infrastrukturinvestitionen zuverlässig und automatisch erkannt werden;
- auch abnorme Signale, z.B. aufgrund von Vandalismus automatisch verarbeitet werden können;
- die für das betreffende Fahrzeug relevanten Signalzeichen von den irrelevanten Signalzeichen unterschieden werden können;
- Signalzeichen bei ungünstigen Sichtbedingungen zuverlässiger erkannt werden können als durch Triebfahrzeugführer;
- Triebfahrzeugführer nicht mehr zum Fahren benötigt werden, so dass unabhängig von deren Verfügbarkeit gefahren werden kann;
- das Verfahren auch bei ungenauer Positionierung funktioniert;
- das Verfahren mit begrenzten Hardware-Ressourcen zur Bildakquise/Bildübertragung/Bildverarbeitung/Bildspeicherung auskommt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der 1 und 2. Diese zeigen:

1 Signalzeichenerkennung eines zur Verkehrssteuerung eines spurgebundenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, im Fahrbetrieb entlang einer Fahrstrecke des spurgebundenen Fahrzeugs an einer Signalzeichenposition befindlichen Signalzeichens;
2 einen prinzipiellen Aufbau eines Signalzeichenerkennungssystem für die gemäß der 1 fahrzeug- und fahrbetriebsbasierte Signalzeichenerkennung.

1 zeigt die Signalzeichenerkennung eines zur Verkehrssteuerung eines Schienenfahrzeugs SFZ als spurgebundenes Fahrzeugs FZ im Fahrbetrieb entlang einer Fahrstrecke FST des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ an einer Signalzeichenposition SZP befindlichen Signalzeichens, bei der auf eine einfache und ressourcenschonende Weise eine sichere und inhärent gewichtete Signalzeichenerkennung erreicht werden kann.
Das Schienenfahrzeug SFZ, FZ - dargestellt ist in der 1 ein Triebwagen TRW, der sich auf der Fahrstrecke FST, vorzugsweise automatisiert gemäß einer Skala von Fahrerassistenzunterstützung, über Teilautomatisierung, weiter über Bedingte Automatisierung und Hochautomatisierung bis hin zur Vollautomatisierung, mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit „[v]“ bewegt - enthält für die Signalzeichenerkennung ein Signalzeichenerkennungssystem SZES, das sich in einem Triebführerstand TFS mit einer integrierte Anzeigeeinrichtung AZE für einen Fahrzeugführer FZF angeordnet ist.
Ausgehend von einer mittels satellitengestützter Positionsbestimmungsmethoden, wie z.B. GPS, GALILEO oder GLONASS, anhand von GPS-, GALILEO- und GLONASS-Koordinaten bestimmten, zu der Signalzeichenposition SZP beanstandeten Fahrzeugposition FZP wird mit einer Bildakquise-Einheit BAE zum Erfassen von Bildern des Signalzeichenerkennungssystems SZES aus der Fahrzeugperspektive, die im Wesentlichen der Perspektive des Fahrzeugführers FZF entspricht, von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich
- d.h. einem Bereich der Fahrstrecke FST, in dem das Signalzeichen SZ an einer Signalzeichenposition SZP sein kann, erwartet wird -
ein Streckenbild SB akquiriert.
Die Bildakquise-Einheit BAE des Signalzeichenerkennungssystems SZES kann dabei ein beliebiges Gerät zur Akquirierung und/oder Aufzeichnung von Einzel- oder Mehrfachbildern (Videos) sein, wie z.B. eine Bild- oder Videokamera, eine Lasersensor, eine Wärmebildkamera, eine Infrarotkamera oder eine Radar-Einrichtung.
2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau des Signalzeichenerkennungssystems SZES für die gemäß der 1 fahrzeug- und fahrbetriebsbasierte Signalzeichenerkennung des Signalzeichens SZ. Das Signalzeichenerkennungssystem SZES enthält dazu neben der bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der 1 erwähnten Bildakquise-Einheit BAE zum Erfassen von Bildern eine Positionsakquise-Einheit PAE zur Akquirierung von Fahrzeugpositionen und eine Steuereinheit STE.
Die Positionsakquise-Einheit PAE ist die Einheit des Signalzeichenerkennungssystems SZES, die satellitengestützt anhand der GPS-, GALILEO- und GLONASS-Koordinaten die Fahrzeugposition FZP bestimmt.
Die Steuereinheit STE wiederum enthält ein Computer-Programm-Produkt CPP zur Signalzeichenerkennung, das einen nicht-flüchtigen, lesbaren Speicher SP, in dem prozessorlesbare Steuerprogrammbefehle eines die Signalzeichenerkennung durchführenden Programm-Moduls PGM gespeichert sind, und einen mit dem Speicher SP verbundenen Prozessor PZ, der die Steuerprogrammbefehle des Programm-Moduls PGM zur Signalzeichenerkennung ausführt, aufweist.
Zum verbesserten und optimierten Erfassen von Bildern enthält die Bildakquise-Einheit BAE eine Korrekturkomponente KOK, die in die Auswertung des erfassten Bildmaterials Wetter- und Helligkeitsdaten mit einbezieht, eine Brennweiteveränderungskomponente BVK, die in Abhängigkeit vom Abstand zu dem Signalzeichen SZ den richtigen Aufnahmewinkel wählt, um so die mehrfache Auswertung des Signalzeichens SZ optimal zu unterstützen, und eine Beleuchtungskomponente BLK, die vorzugsweise als Scheinwerfer ausgebildet ist und die inner- oder außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs arbeitet.
Die Bildakquise-Einheit BAE ist zudem in vorteilhafter Weise schwenkbar ausgebildet, um den Winkel der Bildakquise-Einheit BAE zur Markierung MK, SZ ausgleichen zu können. Im Hinblick auf die Sicherheitsrelevanz der Bildakquise-Einheit BAE sollte diese redundant vorhanden sein, um bei Beschädigung, Ausfall oder Verschmutzung den Betrieb zumindest eingeschränkt zu ermöglichen. Zudem wäre es denkbar zwei oder mehrere dieser Bildakquise-Einheiten BAE parallel arbeiten zu lassen, um die Konfidenz der gewonnen Daten zu erhöhen.
Die Positionsakquise-Einheit PAE, die Bildakquise-Einheit BAE und die das Computer-Programm-Produkt CPP zur Signalzeichenerkennung enthaltende Steuereinheit STE bilden eine gemeinsame Funktionseinheit zur Erkennung des Signalzeichens SZ mittels Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse. Diese Funktionseinheit ist derart ausgebildet, dass in der Bildakquise-Einheit BAE gemäß der Darstellung in der 1 und wie bei deren Beschreibung schon erwähnt an der zu der Signalzeichenposition SZP des Signalzeichens SZ beabstandeten Fahrzeugposition FZP, aus der Fahrzeugperspektive das Streckenbild SB von dem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich akquiriert wird.
Weiterhin ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP

- auf der Basis des Streckenbildes SB in regelmäßigen Zeitabständen t₀-t₁; t₁-t₂; t₂-t₃;...t₄-t₅, so z.B. in einem Zeitabstand t₀-t₁; t₁-t₂; t₂-t₃;...t₄-t₅ von jeweils 200ms (t₀-t₁=200ms; t₁-t₂=200ms; t₂-t₃=200ms;... t₄-t₅=200ms) wie in der 1 dargestellt, bei der gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit „[v]“ ausgehend von der Fahrzeugposition FZP für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände s₀;s₁;s₂;-s₃;s₄;s₅ zur Signalzeichenposition SZP (vgl. 1)
- eine iterative Bewertung durchgeführt wird. Dabei wird jeweils im Zuge einer dazu in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP
- auf der Basis des von der Bildakquise-Einheit BAE erhaltenen Streckenbildes SB, der von der Positionsakquise-Einheit PAE erhaltenen Fahrzeugposition FZP, von in einer ersten Datenbank DB1 gespeicherten und von dieser erhaltenen Referenz-Streckenbildern RSB, Streckenbild-Metadaten SBMD inklusive der Signalzeichenposition SZP und Signalzeichendaten SZD sowie von in einer zweiten Datenbank DB2 gespeicherten und von dieser erhaltenen Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD - durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung bewertet, wie stark ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition SZP relativ zur Fahrzeugposition FZP verändernder Bildausschnitt des Streckenbildes SB bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens SZ von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern RSB bekannten Signalzeichen SZ' abweicht.

Bei der iterativen Bewertung der Bildausschnitte wird die Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung mehrfach nacheinander ausgeführt wird und zwar bevorzugt wie angegeben im Zeitabstand von 200ms. Dadurch kann insbesondere die relative Veränderung berücksichtigt werden.
Dies betrifft zum einen inhaltlich mögliche Signalzeichenänderungen. z.B. kein direkter Übergang von „Rot“ nach „Grün“ und andererseits aber auch eine sinnvollerweise, mögliche Änderung des Bildausschnitts zur Fahrzeuggeschwindigkeit.
Steht z.B. das spurgebundene Fahrzeug, so darf sich ein Signalzeichen in aufeinanderfolgenden Berechnung-/Analyseschritten nicht bewegen; d.h. das Signalzeichen müsste sich an der gleichen Stelle, z.B. in einem Abstand von 34m vor der Signalzeichenposition SZP befinden.
Bewegt sich aber das Fahrzeug FZ, SFZ mit v=10m/s und man macht die Bildberechnung/Bildanalyse alle 200ms und man erkennt das Signalzeichen in der ersten Runde bei einem Abstand 34m vor der Signalzeichenposition SZP dann muss das Signalzeichen in der nächsten Runde 10m/s*0,2s=2m also bei einem Abstand von 32m vor der Signalzeichenposition SZP gefunden werden.
Ist das nicht der Fall, so könnte es sich um das Rücklicht eines vorausfahrenden Fahrzeugs handeln. Auf diese Art und Weise passiert eine Gewichtung bei der Signalzeichenerkennung. Die auf diese Art und Weise vorgenommene Signalzeichenerkennung liefert also eine inhärente Gewichtung. Dazu ist natürlich die Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit notwendig, die entweder als gegeben angenommen wird oder aber typischer und geläufiger Weise mittels der Positionsakquise-Einheit PAE zur Akquirierung von Fahrzeugpositionen gewonnen werden kann.
Die Streckenbild-Metadaten SBMD weisen dabei vorzugsweise für den Vergleich zwischen den Referenz-Streckenbildern und dem Streckenbild bzw. dem daraus jeweils berechneten Bild der bei der zur Signalzeichenerkennung durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse durch einen Experten markiertes und bewertetes Bildmaterial mit gegebenenfalls weiteren Metadaten und Kalibrierungsbildern auf, um das Signalzeichen SZ erkennen zu können. Dabei wird die Markierung der Experten verwendet, um den relevanten Bildausschnitt möglichst genau festzulegen und auch zwischen relevanten und irrelevanten Signalzeichen (z.B. einer Nebenstrecke) unterscheiden zu können.
Gegebenenfalls können Expertenmarkierungen auch durch Standardangaben ersetzt werden, z.B. Standardangaben zu einem sogenannten Vorsignalzeichen.
Bei der in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse werden eventuell auftretende Verzerrungen des Streckenbildes SB, falls die gespeicherte Referenz-Streckenbilder RSB nicht exakt an der gleichen Stelle aufgenommen wurden wie das im Fahrbetrieb aufgenommenen Streckenbild SB durch Positionsausgleich berücksichtigt.
Für die in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ durchgeführte Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse greift die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ auf die erste Datenbank DB1 und/oder die zweite Datenbank DB2 zu. Die erste Datenbank DB1 und/oder die zweite Datenbank DB2 sind entweder Bestandteil des Positionsbestimmungssystems PBS (Option „A“ für DB1 bzw. Option „C“ für DB2) oder dem Positionsbestimmungssystem PBS für diese Zugriffe zugeordnet (Option „B“ für DB1 bzw. Option „D“ für DB2).
Die erste Datenbank DB1 enthält die Referenz-Streckenbilder RSB inklusive eventueller Kalibrierungsbilder, die Streckenbild-Metadaten SBMD, wie z.B. bezüglich der Streckenbilder die genaue Position deren Aufnahme inklusive Informationen über die Fahrstrecke bzw. das Gleis, gegebenenfalls den Winkel der Aufnahme und die Signalzeichendaten SZD inklusive Metadaten wie z.B. den Typ des Signalzeichens. Diese Daten können vorzugsweise wie folgt erfasst werden:

Zunächst statisch in Erprobungsfahrten oder durch gezielte Aufnahmen durch Aufnahmepersonal. Und danach in einer Erweiterung dynamisch, bei der das Bildmaterial in der ersten Datenbank DB1 regelmäßig durch die während der Fahrten neu aufgenommenen Streckenbilder SB ergänzt wird.

Die zweite Datenbank DB2 enthält die Strecken- und Fahrzeugdaten SFZD, die z.B. die genauen Daten über die Fahrstrecke FST, z.B. die genaue Position des Gleises, die Position der des Signalzeichens SZ, SZ' die Montageposition der Positionsakquise-Einheit PAE bzw. des GPS/GALILEO-/GLONASS-Empfängers, die Montagepositionen und Auflösungen der Bildakquise-Einheit BAE etc. in dem Fahrzeug FZ, SFZ umfassen.
Darüber hinaus ist die Funktionseinheit derart ausgebildet, dass in der Steuereinheit STE bzw. in dem Prozessor PZ des Computer-Programm-Produkts CPP bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen SZ durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen SZ, SZ' bestimmt wird.
Abschließend ist die Funktionseinheit in vorteilhafter Weise noch derart ausgebildet, dass die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ des das Computer-Programm-Produkts CPP
die im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichens SZ zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem AFS weitergegeben wird.
Dabei ist die Steuereinheit STE bzw. der Prozessor PZ noch zusätzlich derart ausgebildet, dass die im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Fahrzeugposition FZP bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich gecheckt wird, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens SZ an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem AFS zu übergeben.
Solche Sicherheitschecks sind zweckmäßig, angebracht und sinnvoll, weil es durchaus sein könnte, dass ein Rücklicht eines vorausfahrenden Fahrzeugs mit einem zu erkennenden roten Signalzeichen verwechselt werden kann. In diesem Fall kann zu Sicherheitszwecken „Halt“ als Ergebnis ausgegeben werden, um auf der sicheren Seite zu bleiben.
Das Autonome/Automatisierte Fahrsystem AFS ist dabei, wenn, wie in der 1 dargestellt, sich der Triebwagen TRW des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ auf der Fahrstrecke FST automatisiert bewegt, wie das Signalzeichenerkennungssystem SZES in dem Triebführerstand TFS des spurgebundenen Fahrzeugs FZ, SFZ angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/174155 A1 [0009, 0010]

Claims

Verfahren zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeuge (FZ), insbesondere Schienenfahrzeuge (SFZ), bei dem ein entlang einer Fahrstrecke (FST) eines spurgebundenen Fahrzeugs (FZ, SFZ), insbesondere wenn dieses auf der Fahrstrecke (FST) automatisiert fahren soll, an einer Signalzeichenposition (SZP) befindliches, zu erkennendes Signalzeichen (SZ) durch eine Bildanalyse erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Erkennung des Signalzeichens (SZ) a) an einer zu der Signalzeichenposition (SZP) beabstandeten Fahrzeugposition (FZP), aus der Fahrzeugperspektive ein Streckenbild (SB) von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich - d.h. einem Bereich der Fahrstrecke (FST), in dem das Signalzeichen (SZ) erwartet wird - akquiriert wird, b) auf der Basis des Streckenbildes (SB) in regelmäßigen Zeitabständen, vorzugsweise von 200ms, bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition (FZP) für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition (SZP) iterativ bewertet wird, wie stark jeweils im Zuge einer dazu auf der Basis des Streckenbildes (SB), der Fahrzeugposition (FZP), von gespeicherten Referenz-Streckenbildern (RSB), Streckenbild-Metadaten (SBMD) inklusive der Signalzeichenposition (SZP) und Signalzeichendaten (SZD) sowie von gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten (SFZD) durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition (SZP) relativ zur Fahrzeugposition (FZP) verändernder Bildausschnitt bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern (RSB) bekannten Signalzeichen (SZ') abweicht, c) bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen (SZ) durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen (SZ, SZ') bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugposition (FZP) satellitengestützt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem (AFS) weitergegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich gecheckt wird, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem (AFS) zu übergeben.
Computer-Programm-Produkt (CPP) zum Erkennen von Signalzeichen zur Verkehrssteuerung spurgebundener Fahrzeug (FZ), insbesondere Schienenfahrzeuge (SFZ), mit einem nicht-flüchtigen, lesbaren Speicher (SP), in dem prozessorlesbare Steuerprogrammbefehle eines die Signalzeichenerkennung durchführenden Programm-Moduls (PGM) gespeichert sind, und ein mit dem Speicher (SP) verbundener Prozessor (PZ), der die Steuerprogrammbefehle des Programm-Moduls (PGM) zur Signalzeichenerkennung ausführt und dabei ein entlang einer Fahrstrecke (FST) eines spurgebundenen Fahrzeugs (FZ, SFZ), insbesondere wenn dieses auf der Fahrstrecke (FST) automatisiert fahren soll, an einer Signalzeichenposition (SZP) befindliches, zu erkennendes Signalzeichen (SZ) durch eine Bildanalyse erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (PZ) und das Programm-Modul (PGM) für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Signalzeichenerkennung derart ausgebildet sind und der Prozessor (PZ) die Steuerprogrammbefehle des Programm-Moduls (PGM) hierfür derart ausführt, dass a) auf der Basis eines an einer zu der Signalzeichenposition (SZP) beabstandeten Fahrzeugposition (FZP), aus der Fahrzeugperspektive von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich - d.h. einem Bereich der Fahrstrecke (FST), in dem das Signalzeichen (SZ) zu erwartet ist - akquirierten und dem Prozessor (PZ) zugeführten Streckenbildes (SB) in regelmäßigen Zeitabständen, vorzugsweise von 200ms, bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition (FZP) für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition (SZP) iterativ bewertet wird, wie stark jeweils im Zuge einer dazu auf der Basis des Streckenbildes (SB), der Fahrzeugposition (FZP), von gespeicherten Referenz-Streckenbildern (RSB), Streckenbild-Metadaten (SBMD) inklusive der Signalzeichenposition (SZP) und Signalzeichendaten (SZD) sowie von gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten (SFZD) durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition (SZP) relativ zur Fahrzeugposition (FZP) verändernder Bildausschnitt bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern (RSB) bekannten Signalzeichen (SZ') abweicht, b) bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen (SZ) durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen (SZ, SZ') bestimmt wird.
Computer-Programm-Produkt (CPP) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (PZ) und das Programm-Modul (PGM) derart ausgebildet sind, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem (AFS) weitergegeben wird.
Computer-Programm-Produkt (CPP) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (PZ) und das Programm-Modul (PGM) derart ausgebildet sind, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich gecheckt wird, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem (AFS) zu übergeben.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) für ein spurgebundenes Fahrzeug (FZ), insbesondere für ein Schienenfahrzeug (SFZ), bei dem ein entlang einer Fahrstrecke (FST) eines spurgebundenen Fahrzeugs (FZ, SFZ), insbesondere wenn dieses auf der Fahrstrecke (FST) automatisiert fahren soll, an einer Signalzeichenposition (SZP) befindliches, zu erkennendes Signalzeichen (SZ) durch eine Bildanalyse erkannt wird, gekennzeichnet durch eine Positionsakquise-Einheit (PAE) zur Akquirierung von Fahrzeugpositionen, eine Bildakquise-Einheit (BAE) zum Erfassen von Bildern und eine Steuereinheit (STE), die ein Computer-Programm-Produkt (CPP) zur Signalzeichenerkennung mit einem nicht-flüchtigen, lesbaren Speicher (SP), in dem prozessorlesbare Steuerprogrammbefehle eines die Signalzeichenerkennung durchführenden Programm-Moduls (PGM) gespeichert sind, und einem mit dem Speicher (SP) verbundenen Prozessor (PZ), der die Steuerprogrammbefehle des Programm-Moduls (PGM) zur Signalzeichenerkennung ausführt, enthält, wobei die Positionsakquise-Einheit (PAE), die Bildakquise-Einheit (BAE) und die Steuereinheit (STE) eine gemeinsame Funktionseinheit für eine Bildberechnung/Bildanalyse-basierte Signalzeichenerkennung derart bilden, dass a) in der Bildakquise-Einheit (BAE) an einer zu der Signalzeichenposition (SZP) beabstandeten Fahrzeugposition (FZP), aus der Fahrzeugperspektive ein Streckenbild (SB) von einem Signalzeichenerwartungsfahrstreckenbereich - d.h. einem Bereich der Fahrstrecke (FST), in dem das Signalzeichen (SZ) erwartet wird - akquiriert wird, b) in der Steuereinheit (STE) auf der Basis des Streckenbildes (SB) in regelmäßigen Zeitabständen, vorzugsweise von 200ms, bei gegebener Fahrzeuggeschwindigkeit ausgehend von der Fahrzeugposition (FZP) für dazu korrespondierende, unterschiedliche und kleiner werdende Abstände zur Signalzeichenposition (SZP) iterativ bewertet wird, wie stark jeweils im Zuge einer dazu in der Steuereinheit (STE) auf der Basis des Streckenbildes (SB), der Fahrzeugposition (FZP), von in einer ersten Datenbank (DB1) gespeicherten Referenz-Streckenbildern (RSB), Streckenbild-Metadaten (SBMD) inklusive der Signalzeichenposition (SZP) und Signalzeichendaten (SZD) sowie von in einer zweiten Datenbank (DB2) gespeicherten Strecken- und Fahrzeugdaten (SFZD) durchgeführten Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse zur Signalzeichenerkennung ein zu betrachtender, sich in Bezug auf die Signalzeichenposition (SZP) relativ zur Fahrzeugposition (FZP) verändernder Bildausschnitt bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) von einem gemäß den Referenz-Streckenbildern (RSB) bekannten Signalzeichen (SZ') abweicht, c) in der Steuereinheit (STE) bewertet wird, welche Bildausschnitte die geringsten Abweichungen enthalten, und gemäß dieser Bildausschnittbewertung das zu erkennende Signalzeichen (SZ) durch einen konsistenten Vergleich der Signalzeichen (SZ, SZ') bestimmt wird.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Datenbank (DB1) und/oder die zweite Datenbank (DB2) entweder Bestandteil des Signalzeichenerkennungssystems (SZES) oder dem Signalzeichenerkennungssystem (SZES) für Zugriffe zugeordnet sind/ist.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsakquise-Einheit (PAE) derart ausgebildet ist, dass die Fahrzeugposition (FZP) satellitengestützt akquiriert wird.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (STE) derart ausgebildet ist, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) zur Unterstützung oder Umsetzung von Autonomen/Automatisierten Fahren an ein Autonomes/Automatisiertes Fahrsystem (AFS) weitergegeben wird.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (STE) derart ausgebildet ist, dass das im Zuge der Kombination aus Bildberechnung und Bildanalyse bestimmte Signalzeichen (SZ) bei einem inkonsistenten Signalzeichenvergleich gecheckt wird, um eine sichere konsistente Entscheidung bezüglich des zu erkennenden Signalzeichens (SZ) an das Autonome/Automatisierte Fahrsystem (AFS) zu übergeben.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildakquise-Einheit (BAE) eine Korrekturkomponente (KOK) aufweist, die in die Auswertung des Bildmaterials Wetter- und Helligkeitsdaten mit einbezieht.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildakquise-Einheit (BAE) eine Brennweiteveränderungskomponente (BVK) aufweist, die in Abhängigkeit vom Abstand zu dem Signalzeichen (SZ) den richtigen Aufnahmewinkel wählt, um so die mehrfache Auswertung des Signalzeichens (SZ) optimal zu unterstützen.
Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildakquise-Einheit (BAE) eine Beleuchtungskomponente (BLK), insbesondere einen Scheinwerfer, die inner- oder außerhalb des menschlich sichtbaren Bereichs arbeitet, aufweist.
Spurgebundenes Fahrzeug (FZ), insbesondere Schienenfahrzeug (SFZ), insbesondere mit einem Autonomen/Automatisierten Fahrsystem (AFS) zur Unterstützung oder Umsetzung des Autonomen/Automatisierten Fahrens, gekennzeichnet durch ein Signalzeichenerkennungssystem (SZES) nach einem der Ansprüche 8 bis 15 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.