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Verfahren zur Fahrortermittlung und Abstandssicherung von bahngebundenen
Fahrzeugen Die Erfindung betrifft -ein Verfahren zur Fahrortermittlung und Abstandssicherung
von bahngebundenen Fahrzeugen, die mit gleichartigen Sende- und Empfangseinrichtungen
ausgerüstet sind und mit einem parallel zur Bahn geführten Leitungssystem in drahtloser
Verbindung stehen, das mindestens an einem Ende mit Sende- und Empfangsvorrichtungen
versehen ist.
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Bei dem Betrieb bahngebundener Förder- und Transportanlagen über größere
Entfernungen entsteht oft die Aufgabe, die Verteilung und Bewegung der in beliebiger
Anzahl auf der Bahn vorhandenen Fahrzeuge (worunter sowohl einzelne Transportgefäße
als auch Fahrzeuggruppen, die zu einem geschlossenen Zug vereinigt sind, verstanden
werden sollen) zu ermitteln und zu steuern. Ein wesentlicher Teil dieser Aufgabe
besteht darin, die Annäherung der Fahrzeuge aneinander oder an feste Punkte zu überwachen
und die Einhaltung vorgegebener Abstände sicherzustellen. Dies ist insbesondere
dann erforderlich, wenn entweder die Bremswege der Fahrzeuge über die Sichtweite
der Fahrer hinausreichen oder wenn unbemannte Fahrzeuge verwendet werden.
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Das bisher meist gebräuchliche Verfahren zur Abstandssicherung bahngebundener
Fahrzeuge ist die Aufteilung der Strecke in durch Signale voneinander getrennte
Abschnitte, in die ein Fahrzeug nur dann einfahren darf, wenn das vorausfahrende
Fahrzeug den Abschnitt vollständig verlassen hat. Die bei diesem System möglichen
Mindestabstände zwischen den Fahrzeugen sind im allgemeinen wesentlich größer als
fahr- und bremstechnisch notwendig, was bedeutet, daß die Zugfolgezeiten entsprechend
groß sind.
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Kürzere Zugfolgezeiten lassen sich nur dann erzielen, wenn die einzuhaltenden
Fahrzeugabstände von zumindest den eigenen Bremswegen, also der eigenen Geschwindigkeit
der Fahrzeuge, abhängig gemacht werden. Vorbedingung dafür ist, den wirklichen Abstand
vom jeweils vorausfahrenden Fahrzeug zu ermitteln.
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Zahlreiche Vorschläge für eine unmittelbar von den Fahrzeugen oder
orstfesten Punkten aus durchzuführende Abstandsermittlung sind bekannt. In vielen
dieser Vorschläge wird versucht, vom Fahrzeug aus den Gleich- oder Wechselstromwiderstand
des zwischen zwei Zügen liegenden Abschnittes des Gleises oder eines dazu parallellaufenden
Leitersystems zu messen und als Abstandskennzeichen auszuwerten. Die Nachteile dieser
Verfahren liegen einerseits in der Schwierigkeit, diese Abstandsstrecken von den
Zügen aus elektrisch zu begrenzen, und andererseits in der Toleranz der elektrischen
Eigenschaften des Gleises oder der Leiter.
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Andere bekannte Verfahren verwenden zur Entfernungsmessung die Laufzeit
von Impulsen, die beispielsweise auf das aus Fahrleitung und Gleis gebildete Leitungssystem
gesendet und an Fahrzeugen oder festen Punkten der Strecke reflektiert werden. Diese
Verfahren sind in der Praxis auf Grund des Meßprinzips nur für Abstandsmessungen
zu den benachbarten Fahrzeugen oder Streckenpunkten und zudem nur für elektrisch
betriebene Bahnen geeignet.
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Weitere bekanntgewordene Vorschläge benutzen die Messung der Laufzeit
vom nachfolgenden Zug gesendeter und vorn vorausfahrenden Zug reflektierter akustischer
oder elektrischer Wellen nach dem Echolotprinzip. Nachteilig ist bei diesen Verfahren
neben dem relativ großen technischen Aufwand auch die begrenzte Reichweite wegen
der geradlinigen Ausbreitung der Wellen und die Nichtbenutzbarkeit in Tunnelstrecken.
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Auch die mittelbare Abstandsermittlung aus den Fahrortmeldungen der
Fahrzeuge ist bekannt. So wurde beispielsweise die Unterteilung der Strecke in viele
kleine Abschnitte vorgeschlagen, die z. B. mit einer Zentrale über Kabel unmittelbar
oder trägerfrequent verbunden sind und ständig oder nach Aufruf eine Frei- oder
Besetztmeldung abgeben. Wenn bei diesen Verfahren möglicherweise auch Zusatzeinrichtungen
auf dem Fahrzeug eingespart werden, so ist der für eine ausreichend genaue Ermittlung
der Fahrorte und der Geschwindigkeiten benötigte Aufwand für die Streckeneinrichtungen
relativ groß.
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Nach anderen bekanntgewordenen Verfahren wird die Strecke mit gleichen
oder unterschiedlichen
Kennpunkten ausgestattet, deren Zahl und/oder
Eigenart von jedem Fahrzeug aufgenommen und über einen eigenen Nachrichtenkanal
gegebenenfalls zusammen mit der Angabe der eigenen Geschwindigkeit an eine Zentrale
gemeldet werden. Hierfür wird entweder eine der Gesamtzahl der vorhandenen Züge
proportionale Anzahl von Nachrichtenkanälen oder eine zusätzliche Einrichtung benötigt,
die am Beginn dieser Strecke jedem einfahrenden Fahrzeug in zyklischer Folge einen
Kanal zuweist, wobei jede Strecke nur so viel Kanäle besitzt, wie sich gleichzeitig
Fahrzeuge auf ihr befinden können. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt im wesentlichen
in seinem hohen Aufwand und in seiner technisch schwierigen Durchführbarkeit.
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Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem die Fahrzeuge entsprechend
ihrem Abstand vom Beginn der Strecke die elektrischen Eigenschaften ihrer Geräte
(z. B. die Frequenzen ihrer Empfänger und Sender) so verändern, daß sich aus der
Höhe der Frequenzen die Orte und aus den Frequenzunterschieden die Abstände ergeben.
Dieses Verfahren hat den schwerwiegenden Nachteil, daß mit dem Abstand vom Beginn
der Strecke anwachsende Fehler in der Ortsangabe entstehen, die auf die Durchmessertoleranzen
der Räder zurückzuführen sind, von denen aus die Veränderung der Frequenzen vorgenommen
wird.
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Bei anderen bekannten Verfahren wird der Strecke mindestens eine elektrische
Eigenschaft zugeordnet, die sich längs der Strecke stetig verändert und von den
Fahrzeugen aufgenommen wird, so daß diese aus dem Zustand der Eigenschaft auf den
Ort und aus deren Änderung auf die Geschwindigkeit schließen können.
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Bei den erwähnten Verfahren muß in allen Fällen in der Meldung jedes
Fahrzeuges eine Angabe zumindest über seinen Ort als Nachricht enthalten sein.
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Ein weiteres bekanntgewordenes Verfahren verwendet ein zeitmultiplexes
Nachrichtensystem in der Weise, daß von einer Zentrale ausgesendete Taktimpulse
von den Fahrzeugen nach unterschiedlichen Verzögerungszeiten mit Meldungen beantwortet
werden. Diese unterschiedlichen Verzögerungen sind eine Eigenschaft der Fahrzeugsender
und dienen also der Fahrzeugerkennung. Die Entfernungen der Fahrzeuge werden hierbei
aus der zusätzlichen Laufzeit der Meldungen bis zum Empfänger in der Zentrale bestimmt.
Somit wirken sich Toleranzen der Antwortverzögerungen unmittelbar als Entfernungsmeßfehler
aus. Ferner ist die Zahl der erfaßbaren Fahrzeuge durch die Anzahl der möglichen
Verzögerungsschritte begrenzt, wenn nicht, z. B. für durchlaufenden Verkehr, der
Aufwand einer dem vorher erwähnten Verfahren entsprechenden Umschaltung der Verzögerungszeiten
in Kauf genommen werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile
der bekannten Verfahren zu vermeiden und die Fahrortermittlung und Abstandssicherung
mit möglichst geringem Geräteaufwand, aber trotzdem mit einer für alle Betriebsfälle
ausreichenden Genauigkeit zu erreichen. Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf,
daß bereits die dem erwähnten Taktimpuls entsprechende Aufforderung zum Senden der
Meldeimpulse in der Weise zeitlich nacheinander zu den Fahrzeugen gelangen kann,
daß man die Aufforderung längs der Strecke mit einer frei wählbaren, vorgegebenen
Geschwindigkeit durchlaufen läßt. Die z. B. in der Zentrale eintreffenden Meldeimpulse
- über einem der Streckendurch-Laufzeit des Rufzeichens proportionalen Zeitmaßstab
dargestellt - geben dann ein getreues Abbild der Streckenbesetzung und des Betriebsablaufes.
Dadurch ist es möglich, eine beliebige, nur durch die Streckenlänge begrenzte Anzahl
von Fahrzeugen über gemeinsame Nachrichtenkanäle in ihrer Verteilung und Bewegung
zu überwachen und zu beeinfussen.
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Erfindungsgemäß wird unter Ausnutzung dieser Erkenntnis die erwähnte
Aufgabe dadurch gelöst, daß alle Fahrzeuge gemäß ihrer Reihenfolge auf der Bahn
durch ein das parallel zur Bahn geführte Leitungssystem periodisch durchlaufendes
Rufzeichen aufgefordert werden, Meldeimpulse abzugeben, deren zeitliche Lage innerhalb
der Durchlaufperiode des Rufzeichens die Fahrorte und damit die Abstände der Fahrzeuge
voneinander angibt. Als Rufzeichen kann ein bestimmter, entlang der Bahn nur einmal
auftretender Zustand des resultierenden stehenden Magnetfeldes mindestens zweier
im Leitungssystem fließender Wechselströmebenutztwerden.
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Verändert man die in das Leitungssystem eingespeisten Wechselströme
oder ihre Modulationen durch Ändern ihrer Phasenlage, so wandert der Punkt mit dem
als Rufzeichen bestimmten Feldzustand entlang der Bahn in wählbarer Richtung und
beliebiger Geschwindigkeit. Durch eine periodische Veränderung der Wechselströme
oder ihrer Modulation läßt sich das Rufzeichen periodisch über die Bahn bewegen,
wodurch die Fahrzeuge nacheinander zur Abgabe ihrer Meldeimpulse angereizt werden.
Die zeitliche Lage. dieser Meldeimpulse innerhalb der Durchlaufperiode entspricht
der räumlichen Verteilung der Fahrzeuge auf der Bahn. Die Zeitspanne zwischen zwei
Meldeimpulsen stellt daher ein Maß für den Abstand der die Meldeimpulse abgebenden
Fahrzeuge dar.
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Wenn beim Vorbeilaufen des Rufzeichens, das von den Fahrzeugen mittels
bekannter Einrichtungen empfangen wird, die Fahrzeuge zum Senden eines Meldeimpulses
in das Leitungssystem angereizt werden, können sie auch für eine festgelegte Zeit
danach selbsttätig für eine gemeinsame Kommandofrequenz empfangsbereit gehalten
werden. Auf diese Weise können die Fahrzeuge nicht nur nacheinander zum Senden von
Meldeimpulsen, sondern auch zum selektiven Empfangen von Befehlen aufgefordert werden,
die ihr Fahrverhalten im Sinne einer Abstandssicherung beeinflussen können. Dabei
ist es gleichgültig, ob jedes Fahrzeug selbst die Zeitspanne zwischen dem Meldeimpuls
des vorausfahrenden Fahrzeuges und dem eigenen Aufruf als Maß für seinen Abstand
vom vorausfahrenden Fahrzeug mißt oder ob ein zentrales Streckengerät die Zeitspanne
zwischen den Meldeimpulsen der Fahrzeuge für eine Abstandssicherung auswertet.
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Die Fahrzeuggeschwindigkeiten ergeben sich bei periodischen Rufzeichendurchläufen
aus den Fahrortänderungen der Fahrzeuge. Die Fahrortänderungen lassen sich in einfacher
Weise dadurch feststellen, daß zumindest die vorletzte Fahrortmeldung jedes Fahrzeugs
gespeichert und mit der letzten Meldung verglichen wird.
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Auf diese Weise können nicht nur feste Mindestabstände zwischen den
Fahrzeugen durch Vorgeben
von festen Mindestzeitspannen, sondern
auch geschwindigkeitsabhängige Mindestzeitspannen bzw. Mindestabstände vorgegeben
werden. Die durch die Meldeimpulse der Fahrzeuge bezeichneten Fahrorte werden zweckmäßigerweise
zentral gespeichert und wieder abgelesen, wenn in der folgenden Durchlaufperiode
das Rufzeichen an diesen Fahrorten vorbeiläuft.
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Enthält der Speicher mindestens zwei der Bahnstrecke maßstäblich entsprechende
Speicherstrecken nebst zugeordneten Abtastorganen, so können die Meldeimpulse der
zwei letzten Bahndurchläufe des Rufzeichens festgehalten und abgetastet und damit
aus den gespeicherten, den Positionsänderungen proportionalen Zeiten und Zeitdifferenzen
die Geschwindigkeiten und gegebenenfalls die Beschleunigungen der Fahrzeuge ermittelt
werden.
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Mit den bekannten Elementen elektrischer Rechentechnik kann z. B.
aus den geschwindigkeitsanalogen Zeiten und den abstandsanalogen Zeiten für jedes
Fahrzeug ein Fahrbefehl zur Abstandssicherung errechnet werden, der in dem dem jeweiligen
Meldeimpuls folgenden Zeitraum übertragen wird.
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Die mögliche Form eines längs des Leitungssystems wandernden Rufzeichens
ist in F i g. 1 dargestellt. Um dieses Rufzeichen zu erzeugen, können gemäß F i
g. 2 zwei längs der Bahn verlegte, mit den Widerständen Z entsprechend dem Leitungswiderstand
Z abgeschlossene Doppelseitungen der Länge 1= A/2 verwendet werden, in die vom Streckengerät
her in einander entgegengesetzter Richtung zwei Wechselströme I eingespeist werden,
von denen einer durch einen Phasenschieber 99 in seiner Phasenlage stetig verändert
wird. Die Fahrzeuge nehmen die Felder beider Leitungen gemeinsam oder getrennt durch
ihre Empfangseinrichtungen auf und werten die Amplitude oder gegenseitige Phasenverschiebung
der Wechselströme oder ihrer Modulationen zum Erkennen des Rufzeichens aus. Beim
Auswerten des resultierenden Feldes, das längs des Leitungssystems mit der Länge
1= A/2 den in F i g. 1 dargestellten Verlauf besitzt, wäre beispielsweise das Minimum
als Rufzeichen geeignet. Der Verlauf des resultierenden Feldes zu einem späteren
Zeitpunkt ist gestrichelt dargestellt.
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Weiterhin können gemäß F i g. 3 in einem Leitungssystem beide Doppelleitungen
von gleichen Seiten her eingespeist werden, wenn die Leitungen die Widerstände Z,
und Z2 sowie unterschiedliche Phasenmaße ß1 und ß2 aufweisen, wobei für das Verschieben
des Rufzeichens wieder ein Phasenschieber 99 vorgesehen ist. Die Leitungen sind
dabei wieder mit den Widerständen Z1 bzw. Z2 abzuschließen. Auch dann ergibt sich
über der Bahnstrecke an jedem Ort eine andere Phasendifferenz der in den Leitungen
fließenden Wechselströme oder ihrer Modulationen.
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Bei elektrisch betriebenen Bahnen kann die Fahrleitung oder die Stromschiene
einen Leiter des Leitungssystems bilden, womit unter Einsparung einer Doppelleitung
eine zum Bilden des Rufzeichens benötigte Bezugsgröße an die Fahrzeuge übertragen
werden kann.
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Durch Verwendung von Wechselströmen unterschiedlicher Frequenz können
die Fahrzeuge die zum Erkennen des Rufzeichens nach Amplitude oder Phase zu vergleichenden
Wechselströme auch dann unterscheiden, wenn für beide ein gemeinsamer Leiter verwendet
wird. Voraussetzung ist, daß beide Wechselströme in einander entgegengesetzter Richtung
in den Leiter über Frequenzweichen eingespeist werden und für jede Stromrichtung
ein angepaßter Leitungsabschluß vorgesehen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in F i g. 5 dargestellt. Dabei
wird der Strom der Frequenz f1 einerseits unmittelbar über die eine links dargestellte
Frequenzweiche W in die Doppelleitung mit dem Widerstand Z eingespeist und andererseits
über den Phasenschieber (p geführt und in einem Frequenzumsetzer F auf die Frequenz
f2 umgesetzt, von wo aus er über die zweite, rechts dargestellte Frequenzweiche
W in die Doppelleitung eingespeist wird. Beide Frequenzen stehen beispielsweise
im Verhältnis 1:2. Das Rufzeichen kann dann dadurch gebildet werden, daß entweder
in der Empfangsvorrichtung des Fahrzeugs eine phasenrichtige Rückumsetzung auf die
Frequenz f1 vorgenommen oder die Koinzidenz von Nulldurchgängen direkt als Rufzeichen
ausgewertet wird.
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Die Verwendung von modulierten Wechselströmen ist im Interesse eines
guten Störabstandes vorteilhaft. Es sind dafür alle Arten kontinuierlicher Modulation
verwendbar, wobei die Rufzeichenbildung der Modulationsart anzupassen ist. Wesentlich
bleibt dabei, daß das aus den Modulationen gebildete Rufzeichen an nur jeweils einer
Stelle des Leitungssystems erscheint.
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In F i g. 4 ist ein Diagramm dargestellt, aus dem hervorgeht, wie
bei der überlagerung amplitudenmodulierter Trägerspannungen Ui und U2 die im Takt
der Amplitudenmodulation auftretende Phasenmodulation der resultierenden Spannungen
um den Winkel A 9p zur Rufzeichenbildung genutzt werden kann. Der Winkel
d cp wird von den gestrichelt dargestellten Grenzlagen der Resultierenden
gebildet, die aus der vektoriellen Addition von Ul.ax und U2mfa bzw. U2",ax und
U",=" entstehen. Diese Phasenmodulation wird nur dann zu Null, wenn die Phasenlage
der Träger U1 und U2 zueinander 0 oder 180° beträgt. Es genügt hierbei bereits,
wenn nur eine der Trägerspannungen moduliert ist, da auch dann eine Phasenmodulation
der Resultierenden entsteht. In beiden Fällen ist es zweckmäßig, das Ausbleiben
der Phasenmodulation als Rufzeichen auszuwerten.
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Für das erfindungsgemäß ausgebildete Verfahren und die hierfür zweckmäßigen
Einrichtungen wird Patentschutz nur für die Gegenstände der Patentansprüche 1 bis
15 beansprucht.