CLUG

Satellitenbasierte Ortung für sicherheitskritische Bahnanwendungen

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Datum: August 2021

 

Mit der steigenden Verkehrsdichte und zunehmenden Automatisierung entstehen immer höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Positionsbestimmung von Zügen. Gleichzeitig sollen Kosten gesenkt und die Abhängigkeit der streckenseitigen Infrastruktur reduziert werden. Aus diesem Grund gibt es bei Bahnen Bestrebungen – wie bei Anwendungen in der Luftfahrt auch – für Positionsbestimmungen Satellitenortung zu nutzen. Aufgrund der viel schwierigeren Umgebungsbedingungen erfordert diese Art der Ortung aber komplexere Lösungsansätze. Siemens Mobility spielt dabei im Horizon 2020 geförderten EU-Forschungsprojekt CLUG (Certifiable Localisation Unit with GNSS) eine zentrale Rolle.

 

Unter dem Dach des EU-Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020 werden diverse Forschungsprojekte umgesetzt. Das Ziel ist eine Verdoppelung der Kapazität des Europäischen Eisenbahnsystems, bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität und Reduktion der Lebenszykluskosten um 50%.

Eines der untersuchten Themen ist die Nutzung von Satellitenortung für sicherheitskritische Anwendungen. Im Bahnumfeld ist dies erheblich komplexer als z.B. in der Luftfahrt, wo man von der jederzeitigen, uneingeschränkten Sichtbarkeit einer genügenden Anzahl an Satelliten ausgeht.

Ebenso ausgeschlossen sind bei Luftfahrt-Anwendungen Störeinflüsse, wie z.B. die Reflexion von Satellitensignalen an Gebäuden oder die Störung der Signale durch Traktionsströme.

Im Bahnumfeld hingegen sind solche Einflüsse fast überall und in wechselnder Kombination und Intensität vorhanden. Zudem gibt es Orte wie Tunnels oder unterirdische Stationen, bei denen Satellitenortung nicht funktionieren kann.

Satellitenortung im Bahnumfeld muss daher zwingend in Kombination mit anderen Sensoren erfolgen, wie mit Weggebern am Rad, Radar-Sensoren oder Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Die Daten dieser Sensoren müssen dann in einer Art fusioniert werden, die eine kontinuierliche, genaue und sichere Position und Geschwindigkeit ergibt.

Das CLUG-Projekt

Zusammen mit diversen Bahnen und Firmen wie SNCF, DB, SBB, FDC, Airbus und Naventik ist Siemens Mobility Partner im EU-Forschungsprojekt CLUG. Unsere Aufgabe ist die Untersuchung, unter welchen Rahmenbedingungen Satellitenortung für sicherheitskritische Bahnanwendungen nutzbar ist. Das CLUG-Projekt ist die Fortführung von Aktivitäten des vorgängigen STARS-Projekts.

Ausstattung eines Domino-Regionalzuges mit Messgeräten

Als zentrales Element des CLUG-Projekts hat Siemens Mobility einen Domino-Regionalzug (siehe Titelbild) mit diversen Antennen, Sensoren und Messgeräten ausgerüstet, und zeichnet damit Rohdaten von Satellitenempfängern und anderen Sensoren auf. Die Installation fand in einem nicht mehr genutzten Gepäckabteil des Domino-Zuges Platz. Dort sind auch ungestörte Messungen im normalen Passagierbetrieb möglich.

In einem ersten Schritt analysieren wir die mit dem Domino erfassten Felddaten, um kritische Stellen oder Betriebszustände zu identifizieren, bei denen einzelne Sensoren fehlerhafte oder keine Daten liefern. Dazu gehören neben den bereits erwähnten Einflüssen von Gebäuden oder Tunnels auf Satellitensignale beispielsweise auch Einflüsse der Traktion und des Wetters auf die Weggeber am Rad (Schleudern und Gleiten der Räder) oder von ruppigem Fahren und Zwangsbremsungen auf Beschleunigungs- und Drehratensensoren.

Im Rahmen von Messfahrten ausserhalb des regulären Passagierbetriebs provozieren wir in den identifizierten kritischen Umgebungen dann die schwierigen Betriebszustände, um Daten im Grenzbereich des Betriebs aufzuzeichnen.

In einem zweiten Schritt verarbeiten wir diese Felddaten mit im Rahmen des Projekts entwickelten Algorithmen in einem von Siemens Mobility entwickelten Testsystem, um zeitabhängig die Position und Geschwindigkeit des Zuges während der jeweiligen Fahrt zu berechnen. Diese vergleichen wir im Anschluss mit der echten Position und Geschwindigkeit zum jeweiligen Zeitpunkt. Diese werden mit speziell dafür entwickelten Verfahren bestimmt. So bestimmen wir die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Algorithmus und dessen Grenzen und lassen diese in Verbesserungen mit einfliessen. Ohne zusätzliche Messfahrten lässt sich danach deren Wirksamkeit auf Basis der gleichen Felddaten analysieren. 

Parallel zu diesen Untersuchungen wird auch eruiert, wie sich die entstehende Lösung für sicherheitskritische Anwendungen zertifizieren liesse. Mit Fehlermodellen zeigen wir auf, dass die Position und Geschwindigkeit und deren Vertrauensintervalle immer mit der erforderlichen Sicherheit bestimmt werden.

Nächste Schritte
Das CLUG-Projekt ist nur ein erster Schritt in Richtung einer späteren Anwendung. Auf das Projekt werde weitere folgen, wie die Entwicklung von Prototypen, eine umfassende Erprobung auf vielen unterschiedlichen Strecken und unter allen Wetterbedingungen, die Einarbeitung der Erkenntnisse aus dieser Erprobung in die Lösung und die Erstellung eines entsprechenden Standards. Mit der Aufführung des Standards in der entsprechenden Gesetzgebung wird dann der Einsatz als interoperable Lösung zur Verbesserung des Zugsicherungssystems ETCS auf dem Europäischen Eisenbahnnetz ermöglicht. 

 

Autor / Kontakt

Bernhard Stamm

Siemens Mobility AG

Hammerweg 1, CH-8304 Wallisellen

E-Mail: berhard.stamm@siemens.com