DE19934640C1 - Kommunikations- und Überwachungssystem für einen Zugverband - Google Patents

Abstract

Ein Kommunikations- und Überwachungssystem für einen Zugverband verwendet Radar-Einheiten (RU), die in der Lok (10) und den nachfolgenden Wagen (12, 12', ...) aufeinander ausgerichtet sind, um eine kontaktlose Datenübertragung, eine Vollständigkeitskontrolle des Zugverbandes, eine Zug-Schlußerkennung und eine Freiraumkontrolle zu ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

In der Bahntechnik ist bislang Radar zur Geschwindigkeitserfassung und Abstandsmessung bereits umfangreich verwendet worden und hat sich als sehr robust und zuverlässig erwiesen. Ferner ist es aus der DE-A-197 21 901 bekannt, mittels eines auf einem Bahnfahrzeug angeordneten Mikrowellen-Radargerät und im Gleisbereich angeordneten Radarreflektoren eine Hinderniserkennung durchzuführen.

Schließlich ist in der EP-A-0 698 542 eine Dialogverbindung für einen Zugverband beschrieben, bei der die Datenübertragung kontaktlos über HF-Sende/Empfangs­ einrichtungen erfolgt. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der US-A-5,697,583 bekannt.

Hiervor ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband vorzugeben, die ohne physikalische Leitungskopplung in der Lage ist, neben einer Kommunikation innerhalb eines Zugverbandes noch andere Überwachungs- und Kontrollmöglichkeiten vorzugeben. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles sei im folgenden die erfindungsgemäße Vorrichtung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema eines Zugverbandes in Blockdiagramm-Darstellung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Radareinheit;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Decodiereinheit; und

Fig. 4a, 4b Signaldiagramme des Lok- und Wagenprotokolls.

Die vorliegende Erfindung macht von einem Radar-Koppler-System (R-K-S) Gebrauch, das aus zwei Radareinheiten besteht, die im Sende/Empfangsmodus betrieben werden können. Die besonderen Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen R-K-S sind in folgendem zu sehen:

Mit Hilfe der RKS läßt sich ein sicherer Datenverkehr mit hoher Datenrate im Zugverband realisieren. Die RKS können hierbei entweder in der Kupplung zwischen den Wagen bzw. dem Wagen und der Lok oder an der Pufferbohle angeordnet werden. Ein bidirektionaler Datenverkehr mittels einer kombinierten Sende/Empfangseinheit ist bei hoher Datensicherheit möglich. Die Vorrichtung ermöglicht es, die Zugvollständigkeit und den Zugschluß ständig zu überwachen. Nach einer Feststellung des Zugschlusses bei der Zugzusammenstellung schaltet sich das letzte RKS in den Freiraum-Überwachungsmodus (Abstandsmessung), um festzustellen, ob bis zu einem Abstand von z. B. 3 m noch ein nicht-gekuppelter Wagen vorhanden ist.

Spezifische Daten können in jedem Wagen abgelegt und abgerufen werden. Die Daten können hierbei in jede Richtung geleitet werden. D. h. es können Daten von der Lok zu den Wagen bzw. von den Wagen zur Lok geleitet werden, wobei diese Daten z. B. die Einleitung von Bremsvorgängen oder Statusmeldungen vorgeben. Vor der Zugzusammenstellung befindet sich das RKS in einem stromsparenden Schlafmodus. Die Aktivierung des RKS erfolgt über die Lok als Master.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Zugverband aus einer Lok 10 und mehreren Wagen 12, 12', 12" . . . Wesentliche Bestandteile der Vorrichtung sind eine Radareinheit RU, eine Decodiereinheit DU und eine Anwender-Programm-Einheit SW. Während die Lok 10 normalerweise nur eine Radareinheit besitzt, besitzen die Wagen 12, 12', . . . eine Radareinheit an jedem Ende, die mit einer gemeinsamen Decodiereinheit zusammenarbeiten. Alle Radareinheiten sind identisch ausgebildet und ermöglichen einen bidirektionalen Betrieb. Alle Decodiereinheiten sind ebenfalls identisch ausgebildet, können aber spezifisch mit einer Wagencodierung und Wagendaten programmiert werden. Die Initialisierung des Systems erfolgt von der Lok aus.

Gemäß Fig. 2 ist eine Radareinheit RU in näheren Einzelheiten dargestellt. Als Sende/Empfangs-Einheit (Transceiver) dient ein Mikrowellenmodul 14 mit Hornantenne 16. Eine Gunn-Diode D1 in dem Modul 14 dient zur Anregung der Trägerfrequenz (24 GHz), wobei die Anregungsspannung durch eine Gunn-Versorgungseinheit 18 zur Verfügung gestellt wird. Eine Varaktor-Diode D2 in dem Modul 14 dient der Frequenzmodulation der Trägerfrequenz und wird von einem Modulator 20 angesteuert. Z. B. werden Impulspakete (siehe Fig. 4a, 4b) mit einer Länge von 60 nsec mit einer Frequenz von 140 MHz frequenzmoduliert. Eine Mischer-Diode D3 dient als Empfangselement und ist in noch zu erläuternder Weise an verschiedene Komponenten angeschlossen. Diese Komponenten umfassen einmal einen Zweig für den Datenempfang, der aus einem Tiefpaßfilter 22, einem Detektor 24 und einem Leitungstreiber 26 besteht; zum anderen einen Empfänger/Vergleicher 28, der bei einer bestimmten Stärke des empfangenen Signales eine Leistungs-Einschaltlogik und Ablaufsteuerung 30 aktiviert, die sodann die Elemente 18-26 an Spannung legt und die Radareinheit aus dem Schlafmodus weckt; und schließlich ein Element 32 zur Abstandsmessung, das ebenfalls an den Ausgang der Mischer-Diode D3 angeschlossen ist.

Gemäß Fig. 3 weist die Decodiereinheit DU als Interface zu den Radareinheiten RU und einem übergeordneten Datenbussystem folgende Komponenten auf:

einen bidirektionalen Datentransfermodul mit jeweils Empfängern 34, 34', Leitungstreibern 36, 36', Einheiten 38, 38' zur Impulsformung und Daten-Richtungserkennung und Einheiten 40, 40' zur Daten/Takt-Trennung/Einfügung.

Einen Prozessormodul 42, der eine Verarbeitungseinheit 44 aufweist, die an einen Identcodechip 46 angeschlossen ist, der z. B. dem Wagen eine eindeutige Adresse zuordnet und ferner über einen Daten-/Adreßbus 48 an einen Doppelanschluß-Speicher 50 mit wahlfreiem Zugriff (Dual Port RAM) angeschlossen ist, über den der Anschluß an eine äußere Hardware und Software mittels eines weiteren Daten-/Adreßbusses 52 erfolgt.

Die Fig. 4a und 4b zeigen die gewählte Datencodierung, wobei Impulspakete mit einer Länge von 66 nsec zur Anwendung gelangen und eine binäre 1 durch ein nicht-vorhandenes Impulspaket gefolgt von zwei vorhandenen Impulspaketen und eine binäre 0 durch zwei nicht vorhandene Impulspakete gefolgt von einem vorhandenen Impulspaket codiert sind. Lok- und Wagenprotokoll unterscheiden sich durch einen der eigentlichen Adresse (8 Bit) vorangestellten Kopfteil (Header) von 8 × 200 nsec mit hohem Pegel für die Lok und 15.034 nsec mit niedrigem Pegel gefolgt von 66 nsec mit hohem Pegel für den Wagen. Nachfolgend seien die möglichen Betriebszustände der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben:

1. Betriebszustand "Schlafen" (Stand-By)

Lok/Wagen-Transceiver:
Beide Gunn-Dioden sind nicht versorgt (kein Sender arbeitet); ebenso keine Varaktor- Diode. Ein bestromter Empfangsverstärker überwacht den Pegel der Mischer-Diode und aktiviert die komplette Radareinheit, wenn sich ein definierter Spannungspegel an der Mischerdiode einstellt.

2. Betriebszusand "Wecken"

• - Lok-Transceiver:
• - Gunn-Diode: wird z. B. mit +5 V versorgt, über die Antenne werden 24 GHz zum Wagen-Transceiver übertragen.
• - Varaktor-Diode: 0 V (keine Modulation) oder Modulation mit z. B. 1 MHz.
• - Mischer-Diode: zeigt DC-Pegel, aber nur dann, wenn Transceiver sendet, dies ist gleichzeitig erstes Prüfkriterium.
• - Wagen-Transceiver:
• - Gunn-Diode: 0 V (keine Sendefrequenz).
• - Varaktor-Diode: 0 V.
• - Mischer-Diode: Spannungspegel oder Modulationsfrequenz 1 MHz vorhanden, d. h. Aktivierung der Radareinheit durch Versorgung der Gunn-Diode mit +5 V. Ein Spannungspegel stellt sich jedoch nur ein, wenn der Sender in der Lok arbeitet und die Lok mit Wagen gekuppelt ist.

3. Betriebszustand "empfangsbereit"

• 1. Lok-Transceiver:
• 2. Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
• 3. Varaktor-Diode: 0 V (keine Modulation)
• 4. Mischer-Diode: Hier stellt sich eine Frequenz ein von Δf = f_olok - f_oWag; Δf_max = 110 MHz.
• 5. Wagen-Transceiver: Hier stellt sich der gleiche Zustand wie bei dem Lok-Transceiver ein. (Gunn- Diode versorgt, d. h. sendet)
  Die Eingangsfrequenz an beiden Mischerdioden ist ein sicheres Kriterium, daß beide Radareinheiten einwandfrei arbeiten und ein definierter Abstand der beiden Antennen gegeben ist.

4. Betriebszustand "Senden" (Datenübertragung)

Sendebetrieb von Lok zum Wagen

• - Lok-Transceiver:
• - Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
• - Varaktor-Diode: Modulationsspannung wird zugeführt, z. B. in einer definierten Pulsfolge.
• - Mischer-Diode: Hier erscheint die Modulationsfrequenz in Form einer Pulsfolge wie an Varaktor-Diode eingegeben.
  Voraussetzung ist, daß der Sender des Wagen-Transceivers arbeitet.
• - Wagen-Transceiver:
• - Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
• - Varaktor-Diode: 0 V (keine Modulation)
• - Mischer-Diode: Hier erscheint die gleiche Frequenz und Pulsfolge wie an der Mischerdiode des Lok-Transceivers.

5. Betriebszustand "Zugtrennung" (entspricht dem BZ "Zugschluß")

Der Wagen zur Lok hängt sich ab.

Ab einem vorher definierten Abstand stellt die Radareinheit in der Lok die Zugtrennung fest.

• - Lok-Transceiver:
• - Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
• - Varaktor-Diode: Modulationsspannung wird zugeführt, z. B. in einer definierten Pulsfolge.
• - Mischer-Diode: Es stellt sich ein DC-Pegel ein. Die Pulsfolge, die in die Varaktordiode eingeprägt wird, ist auch an der Mischerdiode festzustellen. Da an der Mischerdiode keine Modulationsfrequenz mehr erscheint, liegt eine Zugtrennung vor.
  Jetzt ist es aber möglich, daß die Radareinheit im Wagen defekt ist (Wagen + Lok sind gekoppelt). Angenommen der Sender arbeitet nicht. Es erscheint an der Lok- Mischerdiode die gleiche Pulsfolge wie bei Zugtrennung, jedoch mit einem meßbaren Pegelunterschied (Zustand wie 2. "Wecken" plus Pulsfolge). Somit ist eine Unterscheidung, ob Zugtrennung oder ein Defekt vorliegt, möglich.

6. Betriebszustand "Freiraumkontrolle"

Dieser Betriebszustand wird dann aktiviert, wenn am letzten Wagenteil die Zugschlußmeldung vorgelegen hat. Es wird vorausgesetzt, daß kein Reflektor bei Zugschluß vor dem letzten Radarkoppler angeordnet wird.

• - Wagen-Transceiver: (am Zugende)
• - Gunn-Diode: Versorgung liegt an und Sender arbeitet.
• - Varaktor-Diode: Dreiecks-Modulationsspannung wird zur Abstandsmessung zugeführt.
• - Mischer-Diode: Die Auswerteschaltung ist so dimensioniert, daß bis zu ca. 3 m hinter dem letzten Radar-Koppler ein Objekt (z. B. Wagen) erfaßt werden kann.

Claims (8)

1. Drahtlose Kommunikations- und Überwachungsvorrichtung für einen Zugverband bestehend aus einer Lok und einem oder mehreren Wagen mit Sende/Empfangseinrichtungen, die auf der Lok bzw. den Wagen aufeinander ausgerichtet sind, um Daten zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangseinrichtungen durch Radar-Einheiten (RU) vorgegeben sind, über die außer einer kontaktlosen Datenübertragung, eine Vollständigkeitskontrolle des Zugverbandes, eine Freiraumkontrolle hinter dem letzten Wagen und eine Zug- Schlußerkennung erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Radareinheiten (RU) auf zwei getrennten, miteinander gekoppelten Einheiten des Zugverbandes eine Radar-Koppelstelle bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lok (10) eine Radareinheit (RU) am Ende und eine Decodiereinheit (DU) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wagen (12, 12', . . .) an jedem Ende eine Radareinheit (RU) und eine gemeinsame Decodiereinheit (DU) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radareinheit (RU) als kombinierte Sende/Empfangseinheit ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Radareinheiten (RU) mit einer Leistungs-Abschaltlogik (30) versehen sind, die von einem Vergleicher (28) aktiviert wird, wenn das Empfangssignal einen vorgegebenen Pegel überschreitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangs-Einheit als Mikrowellenmodul (VCO-Transceiver) ausgebildet ist, dessen Trägerfrequenz in frequenzmodulierten Impulspaketen übertragen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar- Koppelstellen jeweils in die Kupplungen oder im Bereich der Pufferbohle der Wagen bzw. der Lok integriert sind.