RCAS - Railway Collision Avoidance System GMA 7.61 Autorail. Dr.-Ing. Michael Meyer zu Hörste DLR Institut für Verkehrssystemtechnik

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1 RCAS - Railway Collision Avoidance System GMA 7.61 Autorail Dr.-Ing. Michael Meyer zu Hörste DLR Institut für Verkehrssystemtechnik RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 1

2 Gliederung 1. Motivation 2. Ansatz und Architektur 3. Aktueller Stand und nächste Schritte 4. Sicherheitsbetrachtung 5. Demonstration RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 2

3 1. Motivation RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 3

4 Motivation 14 Ursachen von Katastrophen im Schienenverkehr (Quelle: Freenet-Lexikon, Stand ) Kollisionen andere 8 6 Kollisionen andere, z.b. Entgleisung RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 4

5 Verkehrsträgerübergreifende Expertisen Kollisionsvermeidung von Zügen per regionaler Broadcast-Funkübertragung ( RCAS ) Bahnspezifische Anforderungen Know-How Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) Know-How Maritimes Automatic Identification System (AIS) RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 5

6 Besonderheiten des Schienenverkehrs Bewegungsmuster ist aufgrund der Spurführung sehr deterministisch Aufeinander weisende Bewegungsvektoren sind auch Sollzustände, z.b. Kuppeln von Halbzügen fliegendes Überholen Mechanische Spurführung schränkt im Konfliktfall die Möglichkeiten des Triebfahrzeugführers drastisch ein: Bremsen oder Beschleunigen Einstellung der Fahrstraßen erfolgt im Stellwerk Spurführung überwiegend überirdisch, aber gelegentlich auch unterirdisch (Tunnel, Bahnhof, Wald, etc.) Kritisch für Satellitenempfang RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 6

7 Idee: Railway Collision Avoidance System (RCAS) Zusätzliches Sicherheitssystem RCAS ist keine Zugbeeinflussung! RCAS ist gedacht als zusätzliches System zur Risikoreduktion in typischerweise nicht überwachten Situationen: Baugleise Rangieren Nebenstrecken mit geringem Verkehrsaufkommen (UIC class F) ohne herkömmliche Zugbeeinflussung Rückfallsituationen und Störungen RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 7

8 2. Ansatz und Architektur RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 8

9 Anwendung Galileo Railway Collision Avoidance System (RCAS) Alert! Beide Züge Bestimmen ihre Position und ihren Bewegungsvektor Verteilen sie (Broadcast) Erkennen drohende Kollisionen Lösen entsprechende Reaktionen aus (Warnung, Bremsung) Erhöhung der Sicherheit auf Strecken mit manuellem Betrieb und bei Bauzuständen RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 9

10 Satellitenbasierte Ortung im Bahnbetrieb Position Richtung Geschwindigkeit (Stillstand) Eisenbahnumgebung mit: Abschattung, Reflektionen und Multipath-Effekte Topologische Karte Teilweise vorhanden Sehr unterschiedliche Qualitäten Gleisgenaue / gleisselektive Ortung notwendig Integrität Lokale Elemente RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 10

11 Beispiele zu erkennender Situationen Zug 2 Gleis 1 Zug 1 Keine Kollision Gleis 2 Zug 1 Zug 2 Kollision erkannt (Frontal) Gleis 1 Gleis 1 Zug 1 Zug 2 Kollision erkannt (Folgefahrt) Gleis 2 Zug 2 Gleis 1 Weiche 1 Zug 1 Gleis 2 Kollision bei vorliegenden Karteninformationen erkannt (Flankenfahrt) Zug 1 Weiche 2 Weiche 1 Kollision nicht sicher auszuschliessen Zug 2 Gleis 1 Gleis 2 RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 11

12 RCAS Architektur Environment Driver RCAS System RCAS Core Data input Visual and acoustic warnings Input device Display / Alert Digital map Input of specific train data Supplying map data Trigger warning RCAS algorithm Train position on digital map Data of trains around Train data Radio transmitter Data communication Train 2 Train 3 Supplying map data Positioning algorthm GNSS Absolute positioning data Point detection Camerasystem + IMU Relative positioning data Further sensors (Doppler radar, etc.) RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 12

13 RCAS Architektur Ortung Vollständig autarke Ortung auf dem Zug Basis-Technologie ist GNSS (GPS, GALILEO, GLONASS) D-GPS und RTK wurden erprobt, waren aber bei der Demonstration nicht notwendig Zentrales Element ist die digitale Karte Reines GNSS ist nicht gleisselektiv! Daher weiter Sensorik notwendig, z.b. Video, Odometer, INS, Wirbelstromsensor, etc. Einkanaliges Video wurde zur Gleislageerkennung eingesetzt. Ergebnis: sehr gute Erkennung durch Kalibrierung auf Spurweite (Keine Fehler durch Schmalspurgleis!) RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 13

14 RCAS Architektur Kommunikation Reine Kommunikation Zug-zu-Zug ohne Kommunikationsinfrastruktur Basis-Technologie ist TETRA (Terrestial Trunked Radio) Bündelfunk für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) Einsatz in einer Konfiguration ohne Infrastruktur: DMO Direkt Mode Operation Am Markt verfügbare Technik Skalierbare Reichweite, derzeit minimal 5km Broadcast, kein Handshake, kein Aknowledge Mobiles ad-hoc Netzwerk RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 14

15 RCAS Architektur und konzeptionelle Besonderheiten Trennung in reinen Sender (BÜ, Lawinenwarnung, etc.) oder reinen Empfänger (Monitor, Bahnsteigwarnung, Rotte, etc.) möglich Kein Abgleich zwischen Sender und Empfänger Jeder Zug vergleicht lokal seine Bewegungsvektoren mit den empfangenen Vektoren Kein signaltechnisch sicheres Verfahren RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 15

16 Variables Konzept für die Integration weiterer Anwendungen Fahrzeug Nicht befahrbar Zug-Zug-Kollision LÜ D Befahrbar LÜ A Bagger im Nebengleis Rotte im Nebengleis Strecke Bahnübergang Rotte im Gleis Lawine Blockade Unterspülung Überflutung Geringe Adhäsion RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 16

17 Beispielhafte Struktur eines Daten-Telegramms Feld RCAS-ID Timestamp Fahrt-Typ Referenzpunkt im Zug LÜ-Typ BÜ-Status Bedeutung Eindeutiger Bezeichner der Quelle, z.b. für den Zug Zeitstempel Grund der Fahrt bzw. Meldung Position der RCAS-Einheit im Zug Art der Lademaßüberschreitung Ergebnis der Freiraumüberwachung Mögliche Werte Zugnummer oder Bahnsteig-ID Zugfahrt LÜ-Fahrt Baufahrt Bahnübergang Head oder Tail Keine, A, B, C, D Zuglänge Streckenposition Streckenvektor Geogr. Position Geschwindigkeit Gefahrgut Gesamtlänge des Zuges Gleis- und Blockkennung Liste nächster Gleis- und Blockkennungen WGS84 Positionsinformation Eigengeschwindigkeit Gefahrgutkennungen aus einer Taxonomie Lat, Lon, Alt in km/h UN-No. RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 17

18 3. Derzeitiger Stand und nächste Schritte RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 18

19 Übersicht Dauer: Phase 1: 3 Jahre (2007 bis 2009) Inhalt: Konzept, Modell und Machbarkeitsstudie, Sicherheitsanalyse Phase 2: 3 Jahre (2010 bis 2012) Integrität, Sicherheitsanalyse, LCM Finanzierung: DLR-Programmdirektion Verkehr Beteiligt: DLR-Institut für Kommunikation und Navigation: Kommunikation, Ortung, Modell, Projektleitung DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik: Anwendung Bahn, Sicherheitsnachweis, LCM DLR-Institut für Robotik und Mechatronik, optisches Systemtechnik: Gleisselektive Ortung mit Video RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 19

20 Nächste Schritte Technische Arbeitsinhalte: Integrität der Kommunikation Verbesserung der Ortung, weitere Sensorik Erzeugung digitaler Karten Weitere Anwendungen: BÜ, Rotte, etc. Betriebliche Arbeitsinhalte: Betriebskonzept (Ergonomie der Fahrer-Schnittstelle) Weitere Arbeitsinhalte: Sicherheitsnachweis / CENELEC-Prozess RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 20

21 Erweiterungen Konzept vorhanden: Bahnübergänge Rottenwarnung kollektiv oder individuell Idee vorhanden: Lawinenwarnung Überflutung Lademaßüberschreitung Warnung bei geringer Adhäsion RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 21

22 4. Sicherheitsbetrachtung RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 22

23 RCAS als zusätzliches System Risikoreduktion mit RCAS Risks of collision without RCAS Basic risks RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 23

24 RCAS als zusätzliches System Risikoreduktion mit RCAS Risks of collision without RCAS Basic risks RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 24

25 RCAS Sicherheitsuntersuchung FMEA (Ausschnitt) Failure Mode Effects Causes Remedial action Point passage false detected RCAS doesn t warn against an impending collision Point position false detected Redundancy via camera system and IMU Insufficient accuracy of positioning data Evaluation of absolute (GNSS) and relative position (Doppler radar) RCAS warns although there is no impending collision Insufficient accuracy of digital map tbd Failure in the map-matching-algorithm Usage of programming standards (e.g. ISO 1131) Evaluated braking distance shorter than real breaking distance Collision despite warning Failure in brake distance evaluation algorithm False input of mass, length and brake power Usage of programming standards Verification of entered data by redundancy of input data Evaluated velocity is false Evaluation via GNSS and IMU RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 25

26 RCAS Sicherheitsuntersuchung FTA (Ausschnitt) Evaluated braking distance shorter than real breaking distance In evaluation assumed track condition better than real conditions Failure in braking distance evaluation Assumptions of track conditions considered too optimistic Track condition in evaluation not considered Failure in braking distance evaluation algorithm Failure in data input RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 26

27 RCAS Sicherheitsuntersuchung Funktionale Sicherheitsbetrachtung (FSB) Die Funktionale Sicherheitsbetrachtung (FSB) ist eine integrierte Methode für die sicherheitstechnische Bewertung komplexer Systeme. Sie wurde am Institut für Verkehrssystemtechnik des DLR entwickelt. Vorgehen: Aufbau eines Systemmodells mit funktionalen Einheiten (Subsystemen) und deren funktionalen Datenaustauschs Lokale Identifikation der Sicherheitsrelevanz (Stufe) Overall System System X Sub-System X.N System Y Information Information Sub-System X.M Information System Z Analyse der Weitergabe von Sicherheitsanforderungen Environment RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 27

28 RCAS Sicherheitsuntersuchung Funktionale Sicherheitsbetrachtung (FSB) Environment Driver RCAS System RCAS Core Data input Visual and acoustic warnings Input device Display / Alert Digital map Input of specific train data Supplying map data Trigger warning RCAS algorithm Train position on digital map Data of trains around Train data Radio transmitter Data communication Train 2 Train 3 Supplying map data Positioning algorthm GNSS Absolute positioning data Point detection Camerasystem + IMU Relative positioning data Further sensors (Doppler radar, etc.) RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 28

29 5. Demo im PCW vom 11.5 RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 29

30 Öffentliche Demonstration am in Wegberg- Wildenrath Vorführung der aktuellen Implementierung bei einer Mitfahrt Verschiedene Reaktionen des Systems werden gezeigt Funktionsweise von Ortung und Broadcast werden vorgeführt Kurze Einführungen in die Themenkomplexe: Ortung: GNSS, Digitale Karte, Fusion Video für die Richtungserkennung auf Weichen Einsatzmöglichkeiten Sicherheitsanalysen und Zulassungsanforderungen Informationen auf der DLR-Website verfügbar RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 30

31 Öffentliche Demonstration am in Wegberg- Wildenrath RCAS Test RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 31

32 Öffentliche Demonstration am in Wegberg- Wildenrath Szenario 1: Zug 1 fährt entgegen Uhrzeigersinn auf dem T1 Zug 2 fährt in Richtung T1 Ergebnis: Alarm bis Überfahrt Weiche Szenario 2: Zug 1 fährt entgegen Uhrzeigersinn auf dem T1 Zug 2 steht an der Weiche Ergebnis: kein Alarm Szenario 3: Zug 1 fährt im Uhrzeigersinn auf dem T! Zug 2 steht an der Weiche Ergebnis: Alarm bis ca. RA 12 RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 32

33 Öffentliche Demonstration am in Wegberg- Wildenrath RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 33

34 Öffentliche Demonstration am in Wegberg- Wildenrath RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 34

35 Vielen Dank! Kontakt: Dr. Michael Meyer zu Hörste Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.v., Institut für Verkehrssystemtechnik Tel.: RCAS Planung 2009 > 15. November 2010 > Folie 35