EP1205370A1 - System zur Kommunikation zwischen zwei benachbarten Fahrzeugeinheiten in einem Fahrzeugverbund, sowie ein Verfahren hierfür - Google Patents

System zur Kommunikation zwischen zwei benachbarten Fahrzeugeinheiten in einem Fahrzeugverbund, sowie ein Verfahren hierfür Download PDF

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EP1205370A1
EP1205370A1 EP01440359A EP01440359A EP1205370A1 EP 1205370 A1 EP1205370 A1 EP 1205370A1 EP 01440359 A EP01440359 A EP 01440359A EP 01440359 A EP01440359 A EP 01440359A EP 1205370 A1 EP1205370 A1 EP 1205370A1
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Martin Gröger
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Nokia Inc
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/028—Determination of vehicle position and orientation within a train consist, e.g. serialisation

Definitions

  • the invention relates to a system for communication between two neighboring vehicle units in a vehicle network at least two units, the neighboring units each short-distance communication means to communicate with each other, as well a procedure for checking the completeness of a Vehicle network.
  • the invention has for its object a generic system for Specify communication between units in a vehicle network, in which a separation of two coupled units in the shortest possible time Distance can be detected safely.
  • the Directional antennas that do not transmit parallel to the axis and receive i.e. whose send and receive axes each with the Longitudinal axes of the associated unit not equal to a certain angle form zero degrees. This results in disconnection of two Vehicle units or cars have a radio transmission interference (for example, the radio link is broken) long before the Range limit of the radio transmission is reached.
  • Bluetooth technology is particularly suitable for this ultra short-distance communication. So far, Bluetooth chips have primarily been provided as a communication medium between computers and peripheral devices, such as printers, scanners, digital cameras, and mobile devices. The basic idea is to use Bluetooth chips as a very cheap wireless radio LAN ( L ocal A rea N somewhat). Very little power is required to power the Bluetooth chips. As energy suppliers, for example, accumulators, compressed air, solar cells, axis generators or unrest converters come into question. Because of the low power consumption and the very low price of the Bluetooth chips, these can also be provided several times in order to increase the availability.
  • Bluetooth chips can also be arranged per car.
  • the information stored in the identification means of the last car is forwarded to the vehicle computer via all upstream Bluetooth chips, so that if the information is properly transmitted, it can be assumed that the train is complete, ie that no car has been disconnected from the vehicle network.
  • an electronic key to form security information or a so-called test pattern is also stored in the identification means of the individual units.
  • a so-called cyclic redundancy code (CRC) can be used as the electronic key.
  • CRC cyclic redundancy code
  • each unit has a unit-specific electronic key.
  • the storage parameters, car number, and electronic key are (R ead o nly M emory rogrammable P) for example, stored in a PROM, which is housed along with the Bluetooth chip in a small box for the mechanical and possibly also thermal protection.
  • asymmetric key system It is used for encryption or Signature of data and for decryption or verification of the signature different keys used.
  • Each unit has one specific private key, which in the corresponding identification devices is stored. in the The vehicle computer is then at least the last public key Unit saved Of course, the private key of all units of the train association. In this way, the correctness of a given one Wagon order will be checked. It is also a support possible in shunting operations or the so-called train baptism.
  • Fig. 1 illustrates the interaction of the components of the Motor vehicle with the components of the car.
  • the vehicle computer with a power supply, a signaling secure (e.g. redundant) computer and a wireless LAN Device, in particular equipped with at least one Bluetooth chip is, while the car is only a wireless LAN in addition to a power supply Device, in particular at least one Bluetooth chip, and one have simple (signal-technically not secure) computers.
  • train termination detection are at the Compilation of the train, the so-called train baptism, in the safe Computer of the locomotive with the corresponding car numbers Sequence and associated electronic keys - e.g. the public keys - stored.
  • the (secure) computer of the The locomotive decodes the encryption result using the saved public key of the last car.
  • the random number so that it can be assumed that the train configuration is in good condition, i.e. that the last car is still on the train. If there is another number or the vehicle computer does not receive an answer, it is not certain whether the last one The wagon is still properly coupled to the train network. In this case, appropriate measures must be initiated that either manually by a driver or automatically by the vehicle computer - for example emergency braking - be initiated.
  • Fig. 2 shows a possibility for the arrangement of directed transmit and Receiving antennas 1.1 and 1.2 of the radio LAN devices 2.1 and 2.2 neighboring wagons 3.1 and 3.2.
  • the antennas 1.1 and 1.2 are arranged offset with respect to the central axis 4 of the train composite.
  • This arrangement allows a very sensitive communication between the radio LAN devices 2.1 and 2.2.
  • a decoupling of the car 3.2 from the car 3.1 is instantly recognizable and not from the range of the radio signal dependent.
  • Radio LAN applications based on the radio LAN are, for example Brake label replacement, sensor information transmission, Passenger information, passenger space monitoring or transmission of data for driverless operation possible.
  • the group of vehicles to be monitored can also be lined up Objects of all kinds represent containers or Land vehicles that are transported on a ship. through Adjacent short-distance communication devices arranged offset from one another (2.1, 2.2) according to the invention Systems can, for example, already have one Slight shifting of the cargo on the ship can be detected.
  • the vehicle network can be coupled together Rail vehicles, land vehicles or ships exist. The coupling can be done mechanically or electronically, for example at the so-called electronic drawbar of two trucks.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Kommunikation zwischen zwei benachbarten (Fahrzeug-) Einheiten, in einem Fahrzeugverbund mindestens zweier Einheiten, wobei die benachbarten Einheiten jeweils (Kurzdistanz-) Kommunikationsmittel zur Kommunikation miteinander aufweisen, wobei die Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen gerichtete Sende- und Empfangs-Antennen aufweisen, wobei benachbarte Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen bezüglich einer Mittelachse des Fahrzeugverbundes zueinander versetzt angeordnet sind und die Sende/Empfangs-Bereiche der gerichteten Antennen einander überlappen, sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Vollständigkeit eines Fahrzeugverbundes hierfür. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Kommunikation zwischen zwei benachbarten Fahrzeugeinheiten in einem Fahrzeugverbund mindestens zweier Einheiten, wobei die benachbarten Einheiten jeweils Kurzdistanz-Kommunikationsmittel zur Kommunikation miteinander aufweisen, sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Vollständigkeit eines Fahrzeugverbundes.
Aus der DE 4027186 ist ein System bekannt, bei welchem Daten zwischen benachbarten Schienenfahrzeugen mittels Mikrowellensender und Mikrowellenempfänger jeweils mit divergenter Strahlungscharakteristik in der Symmetrieebene (Längsachse) der Schienenfahrzeuge Empfänger ausgetauscht werden.
Aus der DE 198 30 053 C1 ist eine Einrichtung zur Zugschlusserkennung bekannt, bei der seitens des Triebfahrzeuges Funktelegramme im Polling-Verfahren nacheinander an die einzelnen Wagen ausgesandt werden, welche ihrerseits diese Funktelegramme an das Triebfahrzeug quittieren. Auf diese Weise ist eine permanente Überwachung der Zugintegrität möglich, d.h. eine sichere Information darüber, ob eine Entgleisung oder eine Auftrennung des Zugverbundes stattgefunden hat. Die Reichweite des Kommunikationsmediums muss dabei mindestens der Länge des Zugverbundes, beispielsweise bis zu 1,5 km, entsprechen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes System zur Kommunikation zwischen Einheiten in einem Fahrzeugverbund anzugeben, bei welchen eine Trennung zweier gekuppelter Einheiten auf kürzester Distanz sicher detektiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zur schnellen und sicheren Erkennung eines Havariezustandes weisen die Kommunikationsmittel Richtantennen auf, die nicht achsenparallel senden und empfangen, d.h. deren Sende- und Empfangsachse mit jeweils der Längsachsen der dazugehörigen Einheit einen bestimmten Winkel ungleich null Grad bilden. Dadurch ergibt sich bei Trennen einer Verbindung zweier Fahrzeugeinheiten oder Wagen eine Störung der Funkübertragung (beispielsweise Abriss der Funkverbindung) bereits lange bevor die Reichweitengrenze der Funkübertragung erreicht wird.
Durch die sukzessive Informationsweiterleitung nur zwischen benachbarten Wagen, wobei die Kommunikationseinrichtungen quasi als Relaisstationen fungieren, kann die Reichweite des Kommunikationsmittels auf wenigen Meter reduziert werden. Besonders geeignet für diese Ultra-Kurzdistanz-Kommunikation ist die Bluetooth-Technologie. Bisher sind Bluetooth-Chips vor allem als Kommunikationsmedium zwischen Computern und peripheren Geräten, wie Drucker, Scanner, Digitalkamera, Mobilfunkgerät, vorgesehen. Die Grundidee besteht darin, Bluetooth-Chips als sehr billiges drahtloses Funk LAN (Local Area Network) zu verwenden. Für die Stromversorgung der Bluetooth-Chips ist nur eine sehr geringe Leistung notwendig. Als Energielieferanten kommen beispielsweise Akkumulatoren, Druckluft, Solarzellen, Achsgenerator oder Unruhe-Wandler in Frage. Wegen des geringen Stromverbrauches und des sehr niedrigen Preises der Bluetooth-Chips können diese auch mehrfach vorgesehen sein, um die Verfügbarkeit zu erhöhen. Selbstverständlich muss die Reichweite nicht ausgenutzt werden. Zur Überbrückung des Übertragungsweges zwischen zwei benachbarten Wagen können pro Wagen auch mehrere Bluetooth-Chips angeordnet sein. Die in den Identifikationsmitteln des letzten Wagens gespeicherten Informationen werden über alle vorgeordneten Bluetooth-Chips an den Fahrzeugrechner weitergeleitet, so dass bei ordnungsgemäßer Informationsübertragung davon ausgegangen werden kann, dass Vollständigkeit des Zuges besteht, d.h. dass kein Wagen von dem Fahrzeugverbund abgetrennt wurde.
Um die hohen Sicherheitsanforderungen im Bahnbereich zu erfüllen, sind in den Identifizierungsmitteln der einzelnen Einheiten jeweils zusätzlich zur Identifikationsnummer oder Wagennummer auch ein elektronischer Schlüssel zur Bildung einer Sicherungsinformation oder eines sogenannten Prüfmusters gespeichert. Als elektronischer Schlüssel kann beispielsweise ein sogenannter Cyclic redundancy Code (CRC) verwendet werden. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, hat jede Einheit einen einheitenspezifischen elektronischen Schlüssel. Die Speicherparameter, Wagennummer und elektronischer Schlüssel sind dabei beispielsweise in einem PROM (Programmable Read Only Memory) abgelegt, welcher zusammen mit dem Bluetooth-Chip in einer kleinen Box zum mechanischen und gegebenenfalls auch thermischen Schutz untergebracht ist.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines sogenannten asymmetrischen Schlüsselsystems. Dabei werden zur Verschlüsselung oder Signatur von Daten und zur Entschlüsselung oder Prüfung der Signatur unterschiedliche Schlüssel verwendet. Dabei besitzt jede Einheit einen spezifischen privaten Schlüssel (engl.: private key), welcher in den entsprechenden Identifikationseinrichtungen gespeichert ist. Im Fahrzeugrechner ist dann mindestens der öffentliche Schlüssel der letzten Einheit gespeichert Selbstverständlich kann auch eine Speicherung der privaten Schlüssel sämtlicher Einheiten des Zugverbands vorgesehen sein. Auf diese Weise kann auch die Richtigkeit einer vorgegebenen Wagenreihung überprüft werden. Außerdem ist dadurch eine Unterstützung bei Rangiervorgängen bzw. der sogenannten Zugtaufe möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der Zeichnungen weiter erläutert:
Fig. 1
eine schematische Darstellung wichtiger Komponenten und eines Verfahrens zur Zugschlusserkennung,
Fig. 2
eine Draufsicht auf zwei ordnungsgemäß gekoppelte Wagen und
Fig. 3
eine Fig. 2 entsprechende Ansicht bei entkoppelten Wagen.
Fig. 1 veranschaulicht das Zusammenwirken der Komponenten des Triebfahrzeuges mit den Komponenten der Wagen. Es ist ersichtlich, dass der Fahrzeugrechner mit einer Stromversorgung, einem signaltechnisch sicheren (beispielsweise redundanten) Rechner und einer Funk LAN Einrichtung, insbesondere mindestens einem Bluetooth-Chip ausgestattet ist, während die Wagen neben einer Stromversorgung nur eine Funk LAN Einrichtung, insbesondere mindestens einen Bluetooth-Chip, und einen einfachen (signaltechnisch nicht sicheren) Rechner aufweisen. Zur Vorbereitung für eine sichere, d.h. gegen Übertragungsfehler und Rechnerfehler gesicherte, Zugschlusserkennung werden bei der Zusammenstellung des Zuges, der sogenannten Zugtaufe, in den sicheren Rechner des Triebfahrzeuges die Wagennummern mit entsprechender Reihenfolge und zugehörigen elektronischen Schlüsseln ― z.B. die öffentlichen Schlüssel (public keys) ― eingespeichert.
Während der Zugfahrt wird periodisch, beispielsweise alle drei Sekunden, eine (hinreichend große) Zufallszahl generiert, welche zusammen mit der Wagennummer des letzten Wagens mittels des Bluetooth-Chips an den Bluetooth-Chip des ersten Wagens gesendet wird. Der Rechner des ersten Wagens vergleicht die empfangene Wagennummer mit der eigenen Wagennummer und stellt Nichtübereinstimmung fest. Infolgedessen reicht der erste Wagen die Zufallszahl und die Wagennummer des letzten Wagens an den zweiten Wagen weiter, der seinerseits, sofern er nicht der letzte Wagen des Zuges ist, die Zufallszahl und die Wagennummer des letzten Wagens an den nächstfolgenden Wagen weiterreicht, bis der letzte Wagen die Informationen empfangen hat. Dieser letzte Wagen verschlüsselt die Zufallszahl mit seinem privaten Schlüssel (private key) und sendet das Verschlüsselungsergebnis auf dem gleichen Weg rückwärts an das Triebfahrzeug zurück ― durch Pfeile dargestellt. Der (sichere) Rechner des Triebfahrzeuges decodiert das Verschlüsselungsergebnis mit Hilfe des gespeicherten öffentlichen Schlüssels des letzten Wagens. Als Resultat muss sich die Zufallszahl ergeben, damit davon ausgegangen werden , dass sich die Zugkonfiguration in ordnungsgemäßem Zustand befindet, d.h. dass der letzte Wagen noch am Zug befindlich ist. Falls sich eine andere Zahl ergibt oder der Fahrzeugrechner keine Antwort erhält, ist nicht sicher, ob der letzte Wagen noch ordnungsgemäß an den Zugverbund angekoppelt ist. In diesem Fall müssen entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden, die entweder manuell durch einen Triebfahrzeugführer oder auch automatisch durch den Fahrzeugrechner ― beispielsweise eine Zwangsbremsung ― eingeleitet werden.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Anordnung von gerichteten Sende- und Empfangs-Antennen 1.1 und 1.2 der Funk LAN Einrichtungen 2.1 und 2.2 benachbarter Wagen 3.1 und 3.2. Die Antennen 1.1 und 1.2 sind bezüglich der Mittelachse 4 des Zugverbundes versetzt angeordnet. Die Ausrichtung der Antennen 1.1 und 1.2, d.h. deren Winkel zur Mittelachse 4 hängt dabei von der Größe des Versatzes b und dem axialen Abstand d der Antennen 1.1 und 1.2 ab. Diese Anordnung gestattet eine sehr empfindliche Kommunikation zwischen den Funk LAN Einrichtungen 2.1 und 2.2. Eine Abkopplung des Wagens 3.2 vom Wagen 3.1 ist augenblicklich erkennbar und nicht von der Reichweite des Funksignals abhängig.
Als weitere Applikationen auf der Basis des Funk LANs sind beispielsweise Bremszettelersatz, Sensor-Informationsübertragung, Passagierinformationen, Passagierraumüberwachung oder die Übertragung von Daten für fahrerlosen Betrieb denkbar.
Der zu überwachende Fahrzeugverbund kann auch aneinander gereihte Gegenstände aller Art darstellen beispielsweise Container oder Landfahrzeuge, die auf einem Schiff transportiert werden. Mittels zueinander versetzt angeordneter benachbarte Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen (2.1, 2.2) gemäss des erfindungsgemäßen Systems kann beispielsweise kann beispielsweise dabei schon ein geringfügiges Verrutschen der Ladung auf dem Schiff festgestellt werden. Der Fahrzeugverbund kann aus miteinander gekuppelten Schienenfahrzeugen, Landfahrzeugen oder Schiffe bestehen. Die Kupplung kann dabei mechanisch erfolgen oder auch elektronisch, beispielsweise bei der sogenannten elektronischen Deichsel zweier Lastkraftwagen.

Claims (5)

  1. System zur Kommunikation zwischen zwei benachbarten (Fahrzeug-) Einheiten (3.1, 3.2), in einem Fahrzeugverbund mindestens zweier Einheiten, wobei benachbarten Einheiten (3.1, 3.2) jeweils (Kurzdistanz-) Kommunikationsmittel (1.1, 2.1) zur Kommunikation miteinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen (2.1, 2.2) gerichtete Sende- und Empfangs-Antennen (1.1, 1.2) aufweisen, wobei benachbarte Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen (2.1, 2.2) bezüglich einer Mittelachse (4) des Fahrzeugverbundes zueinander versetzt angeordnet sind und die Sende-/Empfangs-Bereiche der gerichteten Antennen (1.1, 1.2) einander überlappen.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung der Vollständigkeit des Fahrzeugverbundes eine erste, insbesondere führende, Einheit (3.1) einen Fahrzeugrechner und die weiteren Einheiten (3.2) Identifikationseinrichtungen aufweisen, wobei
    der Fahrzeugrechner Mittel zum Senden einer Vollständigkeitsanfrage, welche die Identifikationsnummer der letzten Einheit (3.2) im Fahrzeugverbund enthält, an die folgende Einheit (3.2) und Mittel zum Prüfen einer von dieser Einheit (3.2) empfangenen Vollständigkeitsnachricht aufweist und
    die Identifikationseinrichtungen jeweils Mittel zum Speichern der eigenen Identifikationsnummer, Mittel zum Empfang der Vollständigkeitsanfrage von der Identifikationseinrichtung der vorangehenden Einheit, Mittel zum Vergleichen der empfangenen Identifikationsnummer mit der eigenen Identifikationsnummer und Mittel zum Weiterleiten der Vollständigkeitsanfrage an die Identifikationseinrichtung der folgenden Einheit oder zum Generieren der Vollständigkeitsnachricht und Rücksenden an den Fahrzeugrechner aufweisen.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Identifikationseinrichtung der letzten Einheit (3.2) Mittel zum generieren einer mit einem individuellen elektronischen Schlüssel codierten Vollständigkeitsnachricht aufweist.
  4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugrechner einen Decoder zur Decodierung einer codierten Vollständigkeitsnachricht aufweist.
  5. Verfahren zur Überprüfung der Vollständigkeit eines Fahrzeugverbundes mit mindestens zwei (Fahrzeug-) Einheiten (3.1, 3.2) mit die Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen (2.1, 2.2), welche gerichtete Sende- und Empfangs-Antennen (1.1, 1.2) aufweisen, wobei benachbarte Kurzdistanz-Kommunikationseinrichtungen (2.1, 2.2) bezüglich einer Mittelachse (4) des Fahrzeugverbundes zueinander versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden:
    der Fahrzeugrechner der ersten Einheit (3.1) sendet eine Nachricht mit der Identifikationsnummer der letzten Einheit (3.2) an die Identifikationseinrichtung der folgenden Einheit (3.2),
    die Identifikationseinrichtung der folgenden Einheit (3.2) vergleicht die empfangene Identifikationsnummer mit der eigenen gespeicherten Identifikationsnummer,
    falls die empfangene Identifikationsnummer nicht mit der eigenen Identifikationsnummer übereinstimmt, sendet die Identifikationseinrichtung die empfangene Nachricht an die nächstfolgende Einheit,
    falls die empfangene Identifikationsnummer mit der eigenen Identifikationsnummer übereinstimmt, sendet die Identifikationseinrichtung eine Vollständigkeitsnachricht zurück an den Fahrzeugrechner der ersten Einheit (3.1) und
    der Fahrzeugrechner prüft die Vollständigkeitsnachricht daraufhin, ob sie von der Identifikationseinrichtung des letzten Wagens (3.2) stammt.
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